當(dāng)前位置：首頁 > 编程资源 > 编程问答 >内容正文

编程问答

深入浅出LLVM

發(fā)布時(shí)間：2025/3/8 编程问答 44 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了深入浅出LLVM 小編覺得挺不錯(cuò)的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個(gè)參考.

深入淺出LLVM

轉(zhuǎn)自：https://www.jianshu.com/p/1367dad95445

什么是LLVM？

LLVM項(xiàng)目是模塊化、可重用的編譯器以及工具鏈技術(shù)的集合。

美國計(jì)算機(jī)協(xié)會 (ACM) 將其2012 年軟件系統(tǒng)獎項(xiàng)頒給了LLVM，之前曾經(jīng)獲得此獎項(xiàng)的軟件和技術(shù)包括:Java、Apache、 Mosaic、the World Wide Web、Smalltalk、UNIX、Eclipse等等。創(chuàng)始人:Chris Lattner亦是Swift之父。

趣聞：Chris Latter本來只是想寫一個(gè)底層的虛擬機(jī)，這也是LLVM名字的由來，low level virtual machine，跟Java的JVM虛擬機(jī)一樣，可是后來，llvm從來沒有被用作過虛擬機(jī)，哪怕LLVM的名氣已經(jīng)傳開了。所以人們決定仍然叫他LLVM，更多的時(shí)候只是當(dāng)作“商標(biāo)”一樣的感覺在使用，其實(shí)它跟虛擬機(jī)沒有半毛錢關(guān)系。官方描述如下
The name “LLVM” itself is not an acronym; it is the full name of the project. “LLVM”這個(gè)名稱本身不是首字母縮略詞; 它是項(xiàng)目的全名。

編譯器架構(gòu)

傳統(tǒng)編譯器架構(gòu)

Frontend:前端
詞法分析、語法分析、語義分析、生成中間代碼
Optimizer:優(yōu)化器
中間代碼優(yōu)化
Backend:后端
生成機(jī)器碼

LLVM架構(gòu)

不同的前端后端使用統(tǒng)一的中間代碼LLVM Intermediate Representation (LLVM IR)
如果需要支持一種新的編程語言，那么只需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)新的前端
如果需要支持一種新的硬件設(shè)備，那么只需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)新的后端
優(yōu)化階段是一個(gè)通用的階段，它針對的是統(tǒng)一的LLVM IR，不論是支持新的編程語言，還是支持新的硬件設(shè)備，都不需要對優(yōu)化階段做修改
相比之下，GCC的前端和后端沒分得太開，前端后端耦合在了一起。所以GCC為了支持一門新的語言，或者為了支持一個(gè)新的目標(biāo)平臺，就變得特別困難
LLVM現(xiàn)在被作為實(shí)現(xiàn)各種靜態(tài)和運(yùn)行時(shí)編譯語言的通用基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(GCC家族、Java、.NET、Python、Ruby、Scheme、Haskell、D等)

什么是Clang

LLVM項(xiàng)目的一個(gè)子項(xiàng)目，基于LLVM架構(gòu)的C/C++/Objective-C編譯器前端。

*相比于GCC，Clang具有如下優(yōu)點(diǎn)*

編譯速度快:在某些平臺上，Clang的編譯速度顯著的快過GCC(Debug模式下編譯OC速度比GGC快3倍)
占用內(nèi)存小:Clang生成的AST所占用的內(nèi)存是GCC的五分之一左右
模塊化設(shè)計(jì):Clang采用基于庫的模塊化設(shè)計(jì)，易于 IDE 集成及其他用途的重用
診斷信息可讀性強(qiáng):在編譯過程中，Clang 創(chuàng)建并保留了大量詳細(xì)的元數(shù)據(jù) (metadata)，有利于調(diào)試和錯(cuò)誤報(bào)告
設(shè)計(jì)清晰簡單，容易理解，易于擴(kuò)展增強(qiáng)

LLVM整體架構(gòu)，前端用的是clang，廣義的LLVM是指整個(gè)LLVM架構(gòu)，一般狹義的LLVM指的是LLVM后端（包含代碼優(yōu)化和目標(biāo)代碼生成）。

源代碼（c/c++）經(jīng)過clang–> 中間代碼(經(jīng)過一系列的優(yōu)化，優(yōu)化用的是Pass) --> 機(jī)器碼

OC源文件的編譯過程

這里用Xcode創(chuàng)建一個(gè)Test項(xiàng)目，然后cd到main.m的上一路徑。
命令行查看編譯的過程：$ clang -ccc-print-phases main.m

$ clang -ccc-print-phases main.m 0: input, "main.m", objective-c 1: preprocessor, {0}, objective-c-cpp-output 2: compiler, {1}, ir 3: backend, {2}, assembler 4: assembler, {3}, object 5: linker, {4}, image 6: bind-arch, "x86_64", {5}, image

找到main.m文件

預(yù)處理器，處理include、import、宏定義

編譯器編譯，編譯成IR中間代碼

后端，生成目標(biāo)代碼

匯編

鏈接其他動態(tài)庫靜態(tài)庫

編譯成適合某個(gè)架構(gòu)的代碼

查看preprocessor(預(yù)處理)的結(jié)果：$ clang -E main.m
這個(gè)命令敲出，終端就會打印許多信息，大致如下：

# 1 "main.m" # 1 "<built-in>" 1 # 1 "<built-in>" 3 # 353 "<built-in>" 3 # 1 "<command line>" 1 # 1 "<built-in>" 2 # 1 "main.m" 2 . . .int main(int argc, const char * argv[]) { @autoreleasepool {NSLog(@"Hello, World!"); } return 0; }

詞法分析

詞法分析，生成Token：$ clang -fmodules -E -Xclang -dump-tokens main.m
將代碼分成一個(gè)個(gè)小單元（token）

舉例如下：

void test(int a, int b){int c = a + b - 3;} void 'void' [StartOfLine] Loc=<main.m:18:1> identifier 'test' [LeadingSpace] Loc=<main.m:18:6> l_paren '(' Loc=<main.m:18:10> int 'int' Loc=<main.m:18:11> identifier 'a' [LeadingSpace] Loc=<main.m:18:15> comma ',' Loc=<main.m:18:16> int 'int' [LeadingSpace] Loc=<main.m:18:18> identifier 'b' [LeadingSpace] Loc=<main.m:18:22> r_paren ')' Loc=<main.m:18:23> l_brace '{' Loc=<main.m:18:24> int 'int' [StartOfLine] [LeadingSpace] Loc=<main.m:19:5> identifier 'c' [LeadingSpace] Loc=<main.m:19:9> equal '=' [LeadingSpace] Loc=<main.m:19:11> identifier 'a' [LeadingSpace] Loc=<main.m:19:13> plus '+' [LeadingSpace] Loc=<main.m:19:15> identifier 'b' [LeadingSpace] Loc=<main.m:19:17> minus '-' [LeadingSpace] Loc=<main.m:19:19> numeric_constant '3' [LeadingSpace] Loc=<main.m:19:21> semi ';' Loc=<main.m:19:22> r_brace '}' [StartOfLine] Loc=<main.m:20:1> eof '' Loc=<main.m:20:2>

可以看出，詞法分析的時(shí)候，將上面的代碼拆分一個(gè)個(gè)token，后面數(shù)字表示某一行的第幾個(gè)字符，例如第一個(gè)void，表示第18行第一個(gè)字符。

AST-抽象語法樹

語法分析，生成語法樹(AST，Abstract Syntax Tree)：$ clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m

通過語法樹，我們能知道這個(gè)代碼是做什么的。

還是剛剛的test函數(shù)，生成語法樹如下：

|-FunctionDecl 0x7fa1439f5630 <line:18:1, line:20:1> line:18:6 test 'void (int, int)' | |-ParmVarDecl 0x7fa1439f54b0 <col:11, col:15> col:15 used a 'int' | |-ParmVarDecl 0x7fa1439f5528 <col:18, col:22> col:22 used b 'int' | `-CompoundStmt 0x7fa142167c88 <col:24, line:20:1> | `-DeclStmt 0x7fa142167c70 <line:19:5, col:22> | `-VarDecl 0x7fa1439f5708 <col:5, col:21> col:9 c 'int' cinit | `-BinaryOperator 0x7fa142167c48 <col:13, col:21> 'int' '-' | |-BinaryOperator 0x7fa142167c00 <col:13, col:17> 'int' '+' | | |-ImplicitCastExpr 0x7fa1439f57b8 <col:13> 'int' <LValueToRValue> | | | `-DeclRefExpr 0x7fa1439f5768 <col:13> 'int' lvalue ParmVar 0x7fa1439f54b0 'a' 'int' | | `-ImplicitCastExpr 0x7fa1439f57d0 <col:17> 'int' <LValueToRValue> | | `-DeclRefExpr 0x7fa1439f5790 <col:17> 'int' lvalue ParmVar 0x7fa1439f5528 'b' 'int' | `-IntegerLiteral 0x7fa142167c28 <col:21> 'int' 3`-<undeserialized declarations>

在終端敲出的時(shí)候，終端很直觀的幫我們用顏色區(qū)分。我們可以用圖形顯示如下：

LLVM IR

LLVM IR有3種表示形式（本質(zhì)是等價(jià)的）

text:便于閱讀的文本格式，類似于匯編語言，拓展名.ll， $ clang -S -emit-llvm main.m
memory:內(nèi)存格式
bitcode:二進(jìn)制格式，拓展名.bc， $ clang -c -emit-llvm main.m

我們以text形式編譯查看：

; Function Attrs: noinline nounwind optnone ssp uwtable define void @test(i32, i32) #2 {%3 = alloca i32, align 4%4 = alloca i32, align 4%5 = alloca i32, align 4store i32 %0, i32* %3, align 4store i32 %1, i32* %4, align 4%6 = load i32, i32* %3, align 4%7 = load i32, i32* %4, align 4%8 = add nsw i32 %6, %7%9 = sub nsw i32 %8, 3store i32 %9, i32* %5, align 4ret void }

IR基本語法

注釋以分號 ; 開頭
全局標(biāo)識符以@開頭，局部標(biāo)識符以%開頭
alloca，在當(dāng)前函數(shù)棧幀中分配內(nèi)存
i32，32bit，4個(gè)字節(jié)的意思
align，內(nèi)存對齊
store，寫入數(shù)據(jù)
load，讀取數(shù)據(jù)
官方語法參考 https://llvm.org/docs/LangRef.html

應(yīng)用與實(shí)踐

我們的開發(fā)都是基于源碼開發(fā)，所以我們首先要進(jìn)行源碼下載和編譯。

源碼下載

# 下載LLVM $ git clone https://git.llvm.org/git/llvm.git/# 下載clang $ cd llvm/tools $ git clone https://git.llvm.org/git/clang.git/# 備注：clang是llvm的子項(xiàng)目，但是它們的源碼是分開的，我們需要將clang放在llvm/tools目錄下。

源碼編譯

這里我們在終端敲出的clang是xcode默認(rèn)內(nèi)置clang編譯器，我們自己要進(jìn)行LLVM開發(fā)的話，需要編譯屬于我們自己的clang編譯器。

# 首先安裝cmake和ninja(先安裝brew，https://brew.sh/) $ brew install cmake $ brew install ninja# ninja如果安裝失敗，可以直接從github獲取release版放入【/usr/local/bin】中 # https://github.com/ninja-build/ninja/releases# 在LLVM源碼同級目錄下新建一個(gè)【llvm_build】目錄(最終會在【llvm_build】目錄下生成【build.ninja】$ cd llvm_build $ cmake -G Ninja ../llvm -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=LLVM的安裝路徑# 備注：生成build.ninja，就表示編譯成功，-DCMAKE_INSTALL_PREFIX 表示編譯好的東西放在指定的路徑，-D表示參數(shù)。# 更多cmake相關(guān)選項(xiàng)，可以參考: https://llvm.org/docs/CMake.html

接下來依次執(zhí)行編譯、安裝指令

$ ninja # 編譯完畢后，【llvm_build】目錄大概 21.05 G（這個(gè)真的是好大啊） $ ninja install

然后到這里我們的編譯就完成了。

另一種方式是通過Xcode編譯，生成Xcode項(xiàng)目再進(jìn)行編譯，但是速度很慢(可能需要1個(gè)多小時(shí))。

# 方法如下： # 在llvm同級目錄下新建一個(gè)【llvm_xcode】目錄 $ cd llvm_xcode $ cmake -G Xcode ../llvm

應(yīng)用與實(shí)踐的參考

libclang、libTooling
官方參考:https://clang.llvm.org/docs/Tooling.html
應(yīng)用:語法樹分析、語言轉(zhuǎn)換等
Clang插件開發(fā)
官方參考
1、https://clang.llvm.org/docs/ClangPlugins.html
2、https://clang.llvm.org/docs/ExternalClangExamples.html
3、https://clang.llvm.org/docs/RAVFrontendAction.html
應(yīng)用:代碼檢查(命名規(guī)范、代碼規(guī)范)等
Pass開發(fā)
官方參考:https://llvm.org/docs/WritingAnLLVMPass.html
應(yīng)用:代碼優(yōu)化、代碼混淆等
開發(fā)新的編程語言
1、 https://llvm-tutorial-cn.readthedocs.io/en/latest/index.html
2、https://kaleidoscope-llvm-tutorial-zh-cn.readthedocs.io/zh_CN/latest/

參考：
https://juejin.im/post/5bfba01df265da614273939a

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的深入浅出LLVM的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。

上一篇： linux pcie命令,setpci命
下一篇：蓝桥杯真题训练 2019.4题