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前言

今天开始，我们对苹果的 LLVM 架构编译器框架系统进行一个简单的了解和使用。并且在对 LLVM 的编译过程了解过后，我们字节写一个Clang 插件玩一玩。好，话不多说，现在就开始今天的内容。

LLVM

LLVM是什么

LLVM是构架编译器(compilen)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，井兼容已有脚本。 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.井致力于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已经被苹果iOS开发工具、Xilinx Vivado、Facebook、Google等各大公司采用。

我们先了解下编译型语言和解释型语言的区别：
1. 解释型语言：读到代码直接久执行出来了；
2. 编译型语言：先编译成CPU可以执行的二进制文件，参可以执行。

传统编译器设计

graph LR
12((sourceCode)) --> 1[Frontend] --> 2[Optimizer] --> 3[Backend] --> 13((MachineCode))

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, 1R)。

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

Objective C/C/C++使用的编译器前端是Clang， Swift是Swift，后端都是LLVM。

graph LR
1(Clang) --> 2[LLVM Optimizer] --> 3[LLVM CODE Generator]
1-1(Swift) --> 2

LLVM的设计

当编译器決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。

graph LR
1(( C )) --> 2(Clang C/C++/ObjC Fraontend) --> 3[LLVM Optimizer] --> 4[LLVM X86 Backend] --> 5((X86))

1-1((Fortran)) --> 2-1(llvm-gcc Frontend) --> 3
1-2((Haskell)) --> 2-2(GHC Frontend) --> 3

3 --> 4-1[LLVM PowerPC Backend] --> 5-1((PowerPC))
3 --> 4-2[LLVM ARM Backend] --> 5-2((ARM))

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。对于开发者来说，研究Clang可以给我们带来很多好处。

编译流程

通过命令可以打印源码的编译阶段

clang -ccc-print-phases main.m

预处理阶段

执行如下命令

clang -E main.m

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。

clang -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。

clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m

生成中间代码IR（intermediate representation）

clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m

IR的优化

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)

clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o main.ll

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

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）。

clang -fmodules -c main.s -o main.o

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 undefined external

undefined 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

生成可执行文件（链接）

链接器把编译产生的.o文件和（.dylib .a）文件，生成一个 mach-o文件。

clang main.o -o main

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

iOS底层 - LLVM

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