LLVM编译流程

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  • LLVM概述

    LLVM是构架编译器(compiler)的框架系统，以C++编写而成，用于优化以任意程序语言编写的程序的编译时间(compile-time)、链接时间(link-time)、运行时间(run-time) 以及空闲时间(idle-time),对开发者保持开放，并兼容已有脚本。

  • 传统编译器设计

    图片1.png
    编译器不同于解释器，解释器可以将高级语言边转译边执行。但是编译器需要将所有的源代码编译成机器代码之后，然后才能执行，所以如图不管传统的还是LLVM都一定是源代码输入，输出是机器代码（也就是0101组合），中间还分前端、优化器、后端
    • 编译器前端（Frontend）
      编译器前端的任务是解析源代码。它会进行：词法分析，语法分析，语义分析, 检查源代码是否存在错误，然后构建抽象语法树(Abstract Syntax Tree,AST) ,LLVM的前端还会生成中间代码(intermediate representation , IR)。
    • 优化器（Optimizer）
      优化器负责进行各种优化。改善代码的运行时间，例如消除冗余计算等。
    • 后端(Backend) /代码生成器(CodeGenerator)
      将代码映射到目标指令集。生成机器语言，并且进行机器相关的代码优化
    • iOS的编译器架构
    图片2.png Objective C/C/C++使用的编译器前端是Clang, Swift是Swift，后端都是LLVM。

  • LLVM的设计

    Image From LLVM(课件).png
    当编译器决定支持多种源语言或多种硬件架构时，LLVM最重要的地方就来了。 其他的编译器如GCC,它方法非常成功，但由于它是作为整体应用程序设计的, 因此它们的用途受到了很大的限制。
    LLVM设计的最重要方面是，使用通用的代码表示形式（IR），它是用来在编译器中标识代码的形式（其实就是一种中间代码）。所以LLVM可以为任何变成语言独立编写前端，并且可以为任意硬件架构独立编写后端。

  • Clang

    Clang是LLVM项目中的一个子项目。它是基于LLVM架构的轻量级编译器，诞生之初是为了替代GCC,提供更快的编译速度。它是负责编译C、C++、Objecte-C语言的编译器，它属于整个LLVM架构中的，编译器前端。

  • 编译流程

    首先简单写一个demo如下： 
    #import <stdio.h>
 //#define C 30

 //typedef int TD_INT_64;

 int test(int a,int b){
     return a + b + 3;
 }

 int main(int argc, const char * argv[]) {
     int a = test(1, 2);
     printf("%d",a);
     return 0;
 }
    • 通过命令打印查看源码的编译阶段
      命令：clang -ccc-print-phases main.m image.png 可以发现主要分6个步骤
      • 0：输入文件：找到源文件。
      • 1：预处理阶段：这个过程处理包括宏的替换，头文件的导入。
      • 2：编译阶段：进行词法分析、语法分析、检测语法是否正确，最终生成IR。
      • 3：后端：这里LLVM会通过一个一个的Pass去优化，每个Pass做一些事情，最终生成汇编代码。
      • 4：生成目标文件。
      • 5：链接：链接需要的动态库和静态库，生成可执行文件。
      • 6：通过不同的架构，生成对应的可执行文件。
    • 预处理阶段
      命令：clang -E main.m
      image.png image.png 宏在预处理阶段会被替换掉，typedef不会被替换掉，所以一般为了安全可以使用，做代码混淆
    • 编译阶段
      • 词法分析
        预处理完成后就会进行词法分析.这里会把代码切成一个个Token,比如大小括 号，等于号还有字符串等
        命令： clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m image.png 注：如果头文件找不到可以指定sdk
        clang -isysroot （自己SDK路径） -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m
        clang -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator14.1.sdk/ -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m
      • 语法分析
        词法分析完成之后就是语法分析，它的任务是验证语法是否正确。在词法分析的基础上将单词序列组合成各类语法短语，如“程序”，“语句”，“表达式”等等，然后将所有节点组成抽象语法树(Abstract Syntax Tree, AST)。语法分析程序判断源程序在结构上是否正确。
        命令： clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m image.png
        • FunctionDecl 函数
        • ParmVarDecl 参数
        • CallExpr 调用一个函数
        • BinaryOperator 运算符
      • 生成中间代码IR
        完成以上步骤后就开始生成中间代码IR了，代码生成器(Code Generation)会将语法树自顶向下遍历逐步翻译成LLVM IR。通过下面命令可以生成.11的文本文件，查看IR代码。
        命令：clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m
        Objective C代码在这一步会进行runtime的桥接：property合成，ARC处理等
        IR的基本语法：
        • @ 全局标识
        • % 局部标识
        • alloca 开辟空间
        • align 内存对齐
        • i32 32个bit, 4个字节
        • store 写入内存
        • load 读取数据
        • call 调用函数
        • ret 返回 image.png IR优化：
          LLVM的优化级别分别是-O0 -O1 -O2 -O3 -Os(第一个是大写英文字母O)
          优化命令：clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o main.ll 一般设置是在target - Build Setting - Optimization Level（优化器等级）中设置 image.png Debug情况下默认是不优化，Release情况下默认Fastest、Smallest
          优化后的代码： image.png
      • bitCode
        xcode7以后开启bitcode苹果会做进一步的优化。生成.be的中间代码。 我们通过优化后的IR代码生成.be代码
        命令：clang -emit-llvm -c main.ll -o main.bc
      • 生成汇编代码
        最终通过.be或者.ll代码生成汇编代码
        命令：
        clang -S -fobjc-arc main.bc -o main.s
        clang -S -fobjc-arc main.ll -o main.s
        image.png 当然生成的汇编代码也可以进行优化（注意如果生成IR代码已经做过优化了此时在优化不会再起作用）
        命令：clang -Os -S -fobjc-arc main.m -o main.s
      • 生成目标文件（汇编器）
        目标文件的生成，是汇编器以汇编代码作为输入，将汇编代码转换为机器代码, 最后输出目标文件(object file)
        命令： clang -fmodules -c main.s -o main.o image.png可以发现是个Mach-O文件
        通过nm命令，查看下main.o中的符号
        命令： xcrun nm -nm main.o image.png发现找不到_printf这个方法，应为_printf是从外部的库引入
      • 生成可执行文件（链接）
        连接器把编译产生的.o文件和(.dylib .a)文件，生成一个mach-o文件。
        命令：clang main.o -o main image.png 发现此时是一个可执行的Mach-O文件
        再查看链接之后的符号
        image.png应为OC的特性运行时，动态库实在运行时需要使用的时候再加载到内存的，所以编一阶段找不到对应的方法

  • LLVM编译流程图

    未命名文件(33).jpg
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