文章目錄

• • LLVM
  • CPU架構
  • • PowerPC
    • ARM
    • X86
    • MIPS
  • 編譯執(zhí)行和解釋執(zhí)行
  • JIT編譯

LLVM

LLVM（Low Level Virtual Machine，不過官方為了避免混淆已經(jīng)棄用該名稱，將LLVM作為項目的全名），這是一個用 C++ 編寫的開源項目，最開始作為伊利諾伊州大學的一個研究項目由 Swift 語言的創(chuàng)始人 Chris Lattner 進行開發(fā)。LLVM項目是模塊化、可重用的編譯器以及工具鏈技術的集合。

LLVM提供了與編譯器相關的支持，可以作為多種語言編譯器的后端來使用，能夠進行程序語言的編譯期優(yōu)化、鏈接優(yōu)化、在線編譯優(yōu)化、代碼生成。

LLVM從一個學術研究項目進化成C、C++和Objective C編譯器的通用后端。成功的關鍵是性能和適應能力，兩者都得益于LLVM獨特的設計和實現(xiàn)。
傳統(tǒng)的編譯器架構為：
Source Code -> [ Frontend & Optimizer & Backend ] -> Machine Code
對比，LLVM的架構為：
Source Code @ x -> [ x Frontend ] -> [ LLVM Optimizer @ IR ] -> [ LLVM m Backend ] -> Machine Code @ m
其中，x為C/C++, Objcect C等多種語言；m為x86，PowerPC，ARM等多種CPU架構。

不同的前端后端使用統(tǒng)一的中間代碼LLVM Intermediate Representation (LLVM IR)

優(yōu)化階段是一個通用的階段，它針對的是統(tǒng)一的LLVM IR，和具體語言無關；

擴展性好：如果需要支持一種新的編程語言，那么只需要實現(xiàn)一個新的前端；如果需要支持一種新的硬件設備，那么只需要實現(xiàn)一個新的后端

關于架構和示例，更詳盡的說明參見：https://www.jianshu.com/p/1367dad95445

LLVM常見應用：

作為一種編程語言的預先(AOT ahead-of-time)編譯器，或者用于即時編譯(JIT just-in-time)編譯器。

使用 LLVM 進行自動代碼優(yōu)化。

創(chuàng)建一門新的語言。LLVM將創(chuàng)建語言過程中最麻煩的事情：把編程語言翻譯成多個平臺上的可執(zhí)行代碼，做了支持和簡化，所以，更容易使它創(chuàng)建一門新的語言。

為多種語言進行橋接，因為在IR層次多種語言是一致的，所以，你可以將你的語言轉換為其他任何支持LLVM的語言。

使用LLVM豐富的工具鏈作為自己編程語言的強大支持。

CPU架構

PowerPC

二十世紀九十年代，IBM(國際商用機器公司)、Apple(蘋果公司)和Motorola(摩托羅拉)公司開發(fā)PowerPC芯片成功，并制造出基于PowerPC的多處理器計算機。
后來，主流的PowerPC處理器制造商有IBM、Freescale? Semiconductor(原摩托羅拉半導體部)、AMCC、LSI等。其中以IBM和Freescale的PowerPC處理器最為流行。

目前，PowerPC已經(jīng)走向沒落。
INTEL面對的是大眾市場，信奉“摩爾定律”，在競爭激烈的隔熱PC的市場，保持超強戰(zhàn)斗力。IBM面對專業(yè)市場，新一代出來后，做得好不好，銷量其實都差不多，技術人員向前發(fā)展的精神動力幾乎就沒有了。
由于 IBM PC 兼容機的逐步普及，技術上相對落后的英特爾反而占了更多的市場份額。在業(yè)務上，半導體只是摩托羅拉的一個部門，而微機處理器又只是其半導體部門的一項業(yè)務，可是它對于英特爾來講卻是全部。隨著蘋果也開始使用英特爾的處理器，摩托羅拉徹底推出了微機處理器市場：2005年，喬幫主在WWDC大會上正式宣布將在2年內將全部電腦產(chǎn)品轉向Intel平臺，2006年1月，搭載Intel Core Duo處理器的iMac和Macbook Pro就已經(jīng)面世。
Android+ARM的陣營，使得一些公司做手機等終端的門檻大大的降低：小米、Oppo、華為這樣的廠商迅速崛起，也是得益于此。
網(wǎng)關、交換機、路由等等本應該是屬于大功耗RISC處理器的應用場景，PowerPC、MIPS原本牢牢占據(jù)這個領域，但是隨著多核ARM的強大，逐步也失去優(yōu)勢。

ARM

ARM架構，過去稱作進階精簡指令集機器（Advanced RISC Machine，更早稱作：Acorn RISC Machine），是一個32位精簡指令集（RISC）處理器架構，其廣泛地使用在許多嵌入式系統(tǒng)設計。

ARM 公司本身并不靠自有的設計來制造或出售 CPU ，而是將處理器架構授權給有興趣的廠家。例如，生產(chǎn)廠商有：TI （德州儀器）/Samsung（三星）/Freescale（飛思卡爾）/Marvell（馬維爾）/Nvidia（英偉達）。
對于授權方來說，ARM 提供了 ARM 內核的整合硬件敘述，包含完整的軟件開發(fā)工具（編譯器、debugger、SDK），以及針對內含 ARM CPU 硅芯片的銷售權。

X86

x86架構是重要地可變指令長度的CISC（復雜指令集電腦，Complex Instruction Set Computer），是英代爾Intel首先開發(fā)制造的一種微處理器體系結構的泛稱。

架構底層有大量的硬件專利，x86架構做pc主板還有大量的外設和接口的專利，這么多年下來，形成了堅強的壁壘。第三方要想突破這樣的壁壘，還需要各種外設和操作系統(tǒng)來形成的新的標準和專利的話，基本不可能。
那么只有從intel或者AMD獲得x86架構的授權一條路，現(xiàn)在想獲得授權，這兩家都不會賣了，就算賣也是天價，加上研發(fā)成本的投入，成本就太高了，沒法正常運營。
現(xiàn)在Amd市場占有率現(xiàn)在也就是百分之十左右，在盈利和虧損之間徘徊，第三家介入的話，不會比AMD更好。
intel的強大還在于它是最先進的半導體生產(chǎn)工藝制造商，三星和臺積電都要排在后面。

威盛是除Intel、AMD之外，唯一一家擁有X86架構授權的公司，當然也是從intel授權來的，曾經(jīng)有“臺灣英特爾”之稱，也曾于研發(fā)投入和人才各方面的原因，除了在低功耗等領域有領先的產(chǎn)品，后來也逐步退出了這個市場。

MIPS

MIPS是世界上很流行的一種RISC處理器。MIPS的意思是“無內部互鎖流水級的微處理器”(Microprocessor without interlocked piped stages)，其機制是盡量利用軟件辦法避免流水線中的數(shù)據(jù)相關問題。
MIPS技術公司是美國著名的芯片設計公司，MIPS自己只進行CPU的設計，之后把設計方案授權給客戶，使得客戶能夠制造出高性能的CPU。

編譯執(zhí)行和解釋執(zhí)行

編譯過程是將源代碼轉換為機器碼的過程。
編譯執(zhí)行：整體編譯完了，再開始執(zhí)行。舉例：C/C++。
解釋執(zhí)行：直接解釋源代碼，并且直接執(zhí)行，沒有編譯過程。舉例：JavaScript，python。

無論是編譯執(zhí)行還是解釋執(zhí)行，都需要經(jīng)過：源碼 -> 詞法分析 -> 單詞流 -> 語法分析 -> 抽象語法樹 的過程。
此后，
編譯執(zhí)行會先將抽象語法樹經(jīng)過優(yōu)化器并產(chǎn)生優(yōu)化后的中間代碼（可選），然后再生成目標代碼。
解釋執(zhí)行會先將抽象語法樹轉換為指令流（可選），然后再通過解釋器進行解釋執(zhí)行。

編譯器：把源程序的每一條語句都編譯成機器語言，并保存成二進制文件，這樣運行時計算機可以直接以機器語言來運行此程序，速度很快。
解釋器：只在執(zhí)行程序時，才一條一條把字節(jié)碼解釋成機器語言給計算機來執(zhí)行。

Java的執(zhí)行模式：

方式一：用javac編譯器將java源代碼編譯成我們常見的 .class文件（其中實現(xiàn)的是字節(jié)碼，一種中間代碼），然后程序在運行時，JVM將需要用到的 .class文件加載到內存中，從class文件中逐行讀出每條指令，JVM中解釋器解釋每條指令并執(zhí)行，即解釋執(zhí)行。

方式二：JDK1.2版本開始引入JIT編譯。開始依然是由javac編譯為.class文件，在程序運行時，JIT通過預熱（收集信息找出熱點）將熱點代碼以方法為單位，從字節(jié)碼轉換為機器碼。在這種情況下，部分熱點代碼就是編譯執(zhí)行而不是解釋執(zhí)行了。

方式三：oracle JDK9就引入了實驗性的AOT特性，直接將字節(jié)碼編譯成機器碼，這樣避免了JIT等方面的預熱消耗。

JIT編譯

動態(tài)編譯（dynamic compilation）指的是“在運行時進行編譯”；與之相對的是事前編譯（ahead-of-time compilation，簡稱AOT），也叫靜態(tài)編譯（static compilation）。
JIT編譯（just-in-time compilation）狹義來說是當某段代碼即將第一次被執(zhí)行時進行編譯，因而叫“即時編譯”。JIT編譯是動態(tài)編譯的一種特例。JIT編譯一詞后來被泛化，時常與動態(tài)編譯等價。

sun公司在jdk8之后的JVM技術實現(xiàn)是HotSpot，這里還有一層關系，JDK是java開發(fā)環(huán)境，JRE是java運行環(huán)境，JDK包含JRE，而JRE包含JVM。也就是說HotSpot是JVM的實現(xiàn)技術，是用C+匯編語言編寫的，主要功能包括一個解釋器和兩個編譯器，這也是為什么jdk8之后的JAVA是編譯與解釋混合執(zhí)行模式的原因。兩個編譯器可以成為JIT編譯器，即動態(tài)編譯器，是兩種模式，server模式和client模式。

JVM（特指Oracle JDK的HotSpot虛擬機）中的JIT特性：

HotSpot虛擬機中內置了兩個即時編譯器：Client Complier和Server Complier，分別用在客戶端和服務端。默認是采用解釋器與其中一個編譯器直接配合的方式工作。

用Client Complier可以獲取更高的編譯速度，用Server Complier可以獲取更好的編譯質量。程序使用哪個編譯器，取決于虛擬機運行的模式。HotSpot虛擬機會根據(jù)自身版本與宿主機器的硬件性能自動選擇運行模式，用戶也可以使用“-client”或“-server”參數(shù)去強制指定虛擬機運行在Client模式或Server模式。

運行過程中會被即時編譯器編譯的“熱點代碼”有兩類：被多次調用的方法和被多次調用的循環(huán)體。

在優(yōu)化時，無論循環(huán)體還是方法，編譯器都是以整個方法作為編譯對象。

HotSpot虛擬機采用基于計數(shù)器的熱點探測方法，會設定方法調用計數(shù)器和回邊計數(shù)器。

觸發(fā)了JIT編譯后，在默認設置下，執(zhí)行引擎并不會同步等待編譯請求完成，而是繼續(xù)進入解釋器按照解釋方式執(zhí)行字節(jié)碼；編譯工作在后臺線程中進行；當編譯工作完成后，下一次調用該方法或代碼時，就會使用已編譯的版本。

對一般的Java方法而言，編譯后代碼的大小相對于字節(jié)碼的大小，膨脹比可能達到10倍以上。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的从LLVM说起，有关CPU架构，JIT等的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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