1.LLVM概念
1.编译器
在学习LLVM
之前我们先了解一下什么是编译器?
简单讲,编译器就是将一种语言(通常为高级语言)
翻译为另一种语言(通常为低级[语言]
的程序。一个现代编译器的主要工作流程:源代码(source code
) → 预处理器(preprocessor
) → 编译器(compiler
) → 目标代码(object code
) → 链接器(Linker
) → 可执行程序(executables
)
源代码一般为高级语言(High-level language
), 如C
、C++
、Java
、Objective-C
等或汇编语言,而目标则是机器语言的目标代码(Object copy
),有时也称作机器代码(Machine code
)。
我们用两种语言来做个对比:解释型语言和编译型语言。
-
解释型语言
下面引入一个
Python
代码,见下图:创建一个
FirstDemo.py
文件,里面只有一行代码,print('Hello world for first time')
。通过解释器指令pythop
,解释这段代码:通过上面的流程可以发现解释型语言的运行流程:
解释型语言特点:
边解释,边执行,运行速度慢,部分改动无需整体重新编译,不可脱离解释器环境运行。
-
编译型语言
下面引入一个
C
代码,见下图:创建一个
firstDemoForC.c
文件,里面添加了一个main
函数。首先通过clang
去读取这个代码:读取之后发现代码并没有立刻执行,而是生成了一个
a.out
文件。这个文件就是可执行文件。通过./a.out
执行这段代码:通过上面的流程可以发现编译型语言的运行流程:
编译型语言特点:
先整体编译,再执行,运行速度快,任意改动需重新编译,可脱离编译环境运行。
解释型语言:读到相应代码就直接执行
编译型语言:先将代码编译成cpu
可读的懂的二进制才能执行
2.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。
LLVM
计划启动于2000
年,最初由美国UIUC
大学的Chris Lattner
博士主持开展。2006
年Chris Lattner
加盟Apple Inc.
并致力于LLVM
在Apple
开发体系中的应用。Apple
也是LLVM
计划的主要资助者。
目前LLVM
已经被Apple
、Microsoft
、Google
、Facebook
等各大公司采用。
-
传统编译器的设计
-
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,
LLVM
的前端会生成中间代码IR
。 -
优化器(
Optimizer
)优化器负责进行各种优化。改善运行时间,例如消除冗余计算等。
-
后端(
Backend
)也可以叫代码生成器(
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。
-
随着高级语言越来越多,终端类型种类的增加,所使用的的CPU
架构等也不尽相同,所以为了适配多种环境,不得不设计不同的编译器,而这些编译器前端和后端往往是捆绑在一起的。
-
LLVM
设计思路LLVM
的设计之初,即将编译器前端(Frontend
)和后端(Backend
)进行了分离。将前端和后端针对不同的架构,按照独立的项目进行研发,而它们均采用通用的代码形式IR
。当编译器决定支持多种语言或多种硬件架构时,
LLVM
最重要的地方就体现出来了,使用通用的代码表示形式(IR
),它是用来在编译器中表示代码的形式。所以LLVM
可以为任何编程语言独立编写前端,并且可以为任意硬件架构独立编写后端。 -
iOS
编译架构Objective C
/C
/C++
使用的编译器前端是Clang
,Swift
是Swift
,后端都是LLVM
。
3.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++
、Objective-C
语言的编译器,它属于整个LLVM
架构中,编译器前端。对于开发者来说,研究Clang
可以给我们带来很多好处。
2.编译流程
通过命令可以打印源码的编译阶段。引入下面一个案例,main.m
中添加代码
int main(int argc, const char * argv[]) {
return 0;
}
通过指令clang -ccc-print-phases main.m
,查看编译流程:
流程说明:
- 输入文件:找到源文件
- 预处理阶段:这个过程处理包括宏的替换,头文件的导入
- 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
- 后端:这里
LLVM
会通过一个一个的Pass(节点)
去优化,每个Pass
做一些事情,最终生成汇编代码 - 生成目标文件
- 链接:链接需要的动态库和静态库,生成可执行文件
- 通过不同的架构,生成对应的可行文件
1.预处理
执行如下指令:clang -E main.m
,对源代码进行预处理。见下面流程:
在预处理之后,输出mainE.m
文件,查看mainE.m
文件:
打开mainE.m
源文件会发现,其进行了宏的替换,如上面案例中宏c
直接替换成了30
;进行头文件的导入。
2.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,等于号以及字符串等。词法分析指令为:clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m
参考下面的案例:
通过指令的输出可以看到,语法分析会将源码进行切割并检测。比如分号,逗号,
int
等。 -
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。语法分析指令:clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m
语法分析输出结果:
通过上面的输出可以发现,其是一个树结构,比如下面的
FunctionDecl
,表示一个方法
,在源码的第五行
,名称为main
,返回值为int
,传入两个参数一个是int
,一个是const char **
。见下图:这里需要注意的是,一旦生成抽象语法树,如果源码中存在语法错误,就会报错,而上面的预处理和词法分析不会报错。
如在源码中设置一个语法错误,通过语法分析指令进行进行编译,就会报错,见下面案例:
-
生成中间代码
IR(intermediate representation)
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
。通过下面指令可以生成.ll
的文本文件,查看IR
代码。clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m
通过上面的指令获取
main.ll
文件,其结构见下图:- 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
- IR的基本语法
-
IR
优化上面生成的
IR
代码是没有经过优化的,其实我们在平时阅读代码时,经常会看下面的一些定义:#define fastpath(x) (__builtin_expect(bool(x), 1)) #define slowpath(x) (__builtin_expect(bool(x), 0))
fastpath
:可以理解为快速流程,对更有可能执行的流程进行优化,调高运行速度;slowpath
:基本流程,不被优化的。
在
XCode
中也有相应的优化设置入口: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
)。可以通过下面的指令获取优化后的IR
代码,也就是.ll
文件:clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o main.ll
通过上面的指令,进行优化后获取的
IR
代码见下图:相较于优化前,代码精简了很多。
这里需要注意的是,通常
debug模式
下,优化模式选择None -O0
,也就是不优化,避免一些保留代码被屏蔽,从而影响调试。而release模式
设置为Fastest,Smallest -Os
。 -
bitCode
Xcode7
以后开启bitCode
苹果会做进一步的优化,生成.bc
的中间代码。我们通过优化后的IR
代码生成.bc
代码。对应指令为:clang -emit-llvm -c main.ll -o main.bc
3.后端生成汇编代码
我们通过最终的.bc
或者.ll
代码生成汇编代码:
clang -S -fobjc-arc main.bc -o main.s
clang -S -fobjc-arc main.ll -o main.s
生成汇编代码也可以进行优化:
clang -Os -S -fobjc-arc main.m -o main.s
采用相同的案例,分别三种方式生成汇编代码,可以看到其优化效果。在进行IR
优化后生成的.ll
文件,依然可以进行优化生成回应的汇编代码。在不同的节点上都可以进行优化。见下图:
4.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
)。指令为:
clang -fmodules -c main.s -o main.o
生成目标文件,见下图:
其中main.o
文件即为目标文件,但是此时生成的目标文件是不可执行的。通过nm
命令,查看下main.o
中的符号:
$xcrun nm -nm main.o
(undefined) external _printf
0000000000000000 (__TEXT,__text) external _test
000000000000000a (__TEXT,__text) external _main
_printf
是一个undefifined external
的undefifined
表示在当前文件暂时找不到符号_printf
external
表示这个符号是外部可以访问的
此时就需要链接,链接器把编译生成的.o
文件和(.dylib
.a
)文件链接生成一个mach-o
文件。
clang main.o -o main
生成对应的可执行文件,见下图:
查看链接之后的符号:
$xcrun nm -nm main
(undefined) external _printf (from libSystem)
(undefined) external dyld_stub_binder (from libSystem)
0000000100000000 (__TEXT,__text) [referenced dynamically] external __mh_execute_header
000000100000f6d (__TEXT,__text) external _test
000000100000f77 (__TEXT,__text) external _main
可以发现此时的外部函数有2
个,_printf
和dyld_stub_binder
,它们都来自libSystem
库。dyld_stub_binder
这个函数的作用是进行运行时绑定流程。链接是在编译时,用来确定外部函数来自哪个动态库;绑定是在运行时,将对应方法的实现地址与符号进行绑定。
可执行文件运行结果: