持续创作，加速成长！这是我参与「掘金日新计划 · 6 月更文挑战」的第6天，点击查看活动详情

一. ios编译过程

1、LLVM概述

下面通过三种代码来研究:

print("hello"); 
//hello.py 

#include<stdio.h>
int main(int argc,char *argv[]){
	printf("hello world");
	return 0;
}
//hello.c

#import <stdio.h>
#define A 10
int main(int argc, const char * argv[]) {
    printf("%d",A + 20);   
    return 0;
}
//main.m

C和C++(hello.c和main.m)需要通过clang 命令生成a.out文件才能执行.
那么为什么clang 命令可以编译我们的C和C++代码，成为二进制机器能读的懂的文件呢？

cd 
open /usr/bin 
查看 clang的位置

LLVM概述
LLVM架构编译器（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），堆开发者保持开发，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 Latther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已经被苹果IOS开发工具、Xilinx Vivado、Facebook、Google等各大公司采用。

1.编译器前端(Frontend):它解析源代码，进行词法分析，语法分析，语义分析，检查源码是否错误，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）.

2.优化器(Optimizer):优化器负责进行各种优化。改善代码的运行时间，列如消除冗余计算等。

3.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的编译器框架

Objective C/C/C++使用编译器前端Clang，Swift是Swift，后端都是LLVM。 LLVM设计

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。

2、词法，语法，语义分析

要怎么研究llvm的源码编译的各个阶段？通过clang -ccc-print-phases 在终端分析阶段：

input输入文件：找到源文件
preprocessor预处理阶段：这个过程处理包括宏的替换，头文件的导入。
compiler后端：这里LLVM会通过一个一个的Pass去优化（生成IR代码），每个Pass做一些事情，最终生成汇编代码。
backend:生成目标文件(mach.o)。
assembler链接:链接需要的动态库和静态库，生成可执行文件。
linker生成: 通过不同的框架，生成对应的可执行文件。预处理阶段(clang -E main.m)：

替换宏定义。

编译阶段(clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m)： 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一个token，比如大小括号，等于号还有字符串等。

语法分析(clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m): -DeclRefExpr 0x7fd3fb098060 col:5 'int (const char *, ...)' Function 0x7fd3fb097c08 'printf' 'int (const char *, ...)' ImplicitCastExpr 用来描述'printf' 。后面进行参数 char *的描述。这个结构就是一个语法树(AST).

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。

如果修改代码（语义分析）:

#import <stdio.h>
#define A 10

int main(int argc, const char * argv[]) {
    int a = 20
    printf("%d",A + 20);   
    return 0;
}

在执行(clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m): 我们看到在语法分析的过程中，就会对代码的规则进行语义分析。判断语义是否正确，不正确的语义会进行报错处理。

3、从IR到可执行文件

修改如下代码：

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

int main(int argc, const char * argv[]) {
    printf("%d",test(1,2));   
    return 0;
}

完成以上步骤就开始生成中间代码IR了，代码生成器（Code Generation）会讲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.II的文本文件，查看IR代码。然后对main.m进行(clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m)生成中间代码IR。查看文件： Objective C代码在这一步会进行runtime的桥接：property合成，ARC处理等。

1、`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

从上面的IR代码可知：

; Function Attrs: noinline nounwind optnone ssp uwtable
define i32 @test(i32 %0, i32 %1) #0 {  //局部变量 %0  %1
  %3 = alloca i32, align 4 //局部变量 = 开辟 i32 内存对齐4
  %4 = alloca i32, align 4
  store i32 %0, i32* %3, align 4 //写入内存 %0->%3 内存对齐4
  store i32 %1, i32* %4, align 4
  %5 = load i32, i32* %3, align 4 //读取数据 %5<-%3 内存对齐4
  %6 = load i32, i32* %4, align 4
  %7 = add nsw i32 %5, %6 // add 加法 %5 + %6 = %7
  ret i32 %7 //返回 i32 %7
}
; Function Attrs: noinline optnone ssp uwtable
define i32 @main(i32 %0, i8** %1) #1 {
  %3 = alloca i32, align 4 //局部变量 = 开辟 i32 内存对齐4
  %4 = alloca i32, align 4
  %5 = alloca i8**, align 8
  store i32 0, i32* %3, align 4//写入内存 0->%3 内存对齐4
  store i32 %0, i32* %4, align 4
  store i8** %1, i8*** %5, align 8
  %6 = call i32 @test(i32 1, i32 2)//调用函数 @test（1，2） 
  %7 = call i32 (i8*, ...) @printf(i8* getelementptr inbounds ([3 x i8], [3 x i8]* @.str, i64 0, i64 0), i32 %6) //调用printf 函数打印 @test
  ret i32 0
}

2、`IR的优化`:

LLVM的优化级别分别是 - O0 - O1 -O2 -O3 -Os（第一个字母是大写的英文字母O）使用一下命令（clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o main.ll）：对比IR（main.ll）代码，我们发现优化过后的IR代码比没有优化的代码更加简单，简短。

; Function Attrs: norecurse nounwind optsize readnone ssp uwtable willreturn
define i32 @test(i32 %0, i32 %1) local_unnamed_addr #0 {
  %3 = add nsw i32 %1, %0  //省略了 %3 %4 %5 %6 写入的内存等操作，直接%3 开辟内存 add写入
  ret i32 %3
}

; Function Attrs: nofree nounwind optsize ssp uwtable
define i32 @main(i32 %0, i8** nocapture readnone %1) local_unnamed_addr #1 {
  %3 = tail call i32 (i8*, ...) @printf(i8* nonnull dereferenceable(1) getelementptr inbounds ([3 x i8], [3 x i8]* @.str, i64 0, i64 0), i32 3) #3, !clang.arc.no_objc_arc_exceptions !9  //tail call 调用函数 也省略了 %3 %4 %5 %6 写入的内存等操作 直接调用函数printf 。
  ret i32 0
}

3、`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代码文件（clang -emit-llvm -c main.ll -o main.bc）：它是一种代码的中间表现形式。

4、`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

优化了部分代码。

5、`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）。通过命令生成(clang -fmodules -c main.s -o main.o)：通过nm命令，查看main.o中的符号(xcrun nm -nm main.o): _printf是一个是undefined external的。
undefined表示在当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。

6、`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。生成命令(clang main.o -o main): 查看链接之后的符号(xcrun nm -nm main): external _printf (from libSystem)//_printf 在libSystem 库里面及标记符号。

4、总结

传统编译器:
1.编译器前端(Frontend):它解析源代码，进行词法分析，语法分析，语义分析，检查源码是否错误，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）.

2.优化器(Optimizer):优化器负责进行各种优化。改善代码的运行时间，列如消除冗余计算等。

3.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。

什么事LLVM编译器：是可以编译多种语言的编译器，它通过不同的编译器前端生成统一的（IR）代码，在通过对应的汇编器链接生成可执行文件。

LLVM编译需要6个阶段:

input输入文件：找到源文件
preprocessor预处理阶段：这个过程处理包括宏的替换，头文件的导入。
compiler后端：这里LLVM会通过一个一个的Pass去优化（生成IR代码），每个Pass做一些事情，最终生成汇编代码。
backend:生成目标文件(mach.o)。
assembler链接:链接需要的动态库和静态库，生成可执行文件。
linker生成: 通过不同的框架，生成对应的可执行文件。其中词法，语法，语义分析在预处理完成后进行，compiler后端验证完词法，语法，语义（通过抽象语法树 AST）生成IR代码，当然IR代码可以通过优化级别分别是 - O0 - O1 -O2 -O3 -Os 来优化最终生成的IR代码，通过 IR代码文件生成汇编文件main.o文件 离最后完成还有一步，链接器把编译产生的.o文件和（.dylib .a）文件，生成一个mach-o（格式）文件生成最终的可执行文件。

iOS编译过程之LLVM

一. ios编译过程

1、LLVM概述

2、词法，语法，语义分析

3、从IR到可执行文件

1、IR的基本语法:

2、IR的优化:

3、bitCode:

4、生成汇编代码:

5、生成目标文件（汇编器）:

6、生成可执行文件（链接）: