• LLVM概述

  LLVM是構架編譯器(compiler)的框架系統，以C++編寫而成，用于優化以任意程序語言編寫的程序的編譯時間(compile-time)、鏈接時間(link-time)、運行時間(run-time) 以及空閑時間(idle-time),對開發者保持開放，并兼容已有腳本。

• 傳統編譯器設計

  
  編譯器不同于解釋器，解釋器可以將高級語言邊轉譯邊執行。但是編譯器需要將所有的源代碼編譯成機器代碼之后，然后才能執行，所以如圖不管傳統的還是LLVM都一定是源代碼輸入，輸出是機器代碼（也就是0101組合），中間還分前端、優化器、后端

  • 編譯器前端（Frontend）

    編譯器前端的任務是解析源代碼。它會進行：詞法分析，語法分析，語義分析, 檢查源代碼是否存在錯誤，然后構建抽象語法樹(Abstract Syntax Tree,AST) ,LLVM的前端還會生成中間代碼(intermediate representation , IR)。

  • 優化器（Optimizer）

    優化器負責進行各種優化。改善代碼的運行時間，例如消除冗余計算等。

  • 后端(Backend) /代碼生成器(CodeGenerator)

    將代碼映射到目標指令集。生成機器語言，并且進行機器相關的代碼優化

  • iOS的編譯器架構

  Objective C/C/C++使用的編譯器前端是Clang, Swift是Swift，后端都是LLVM。

• LLVM的設計

  
  當編譯器決定支持多種源語言或多種硬件架構時，LLVM最重要的地方就來了。 其他的編譯器如GCC,它方法非常成功，但由于它是作為整體應用程序設計的, 因此它們的用途受到了很大的限制。
  LLVM設計的最重要方面是，使用通用的代碼表示形式（IR），它是用來在編譯器中標識代碼的形式（其實就是一種中間代碼）。所以LLVM可以為任何變成語言獨立編寫前端，并且可以為任意硬件架構獨立編寫后端。

• Clang

  Clang是LLVM項目中的一個子項目。它是基于LLVM架構的輕量級編譯器，誕生之初是為了替代GCC,提供更快的編譯速度。它是負責編譯C、C++、Objecte-C語言的編譯器，它屬于整個LLVM架構中的，編譯器前端。

• 編譯流程

  首先簡單寫一個demo如下： #import <stdio.h>//#define C 30//typedef int TD_INT_64;int test(int a,int b){return a + b + 3;}int main(int argc, const char * argv[]) {int a = test(1, 2);printf("%d",a);return 0;} 復制代碼

  • 通過命令打印查看源碼的編譯階段

    命令：clang -ccc-print-phases main.m
    可以發現主要分6個步驟
    • 0：輸入文件：找到源文件。
    • 1：預處理階段：這個過程處理包括宏的替換，頭文件的導入。
    • 2：編譯階段：進行詞法分析、語法分析、檢測語法是否正確，最終生成IR。
    • 3：后端：這里LLVM會通過一個一個的Pass去優化，每個Pass做一些事情，最終生成匯編代碼。
    • 4：生成目標文件。
    • 5：鏈接：鏈接需要的動態庫和靜態庫，生成可執行文件。
    • 6：通過不同的架構，生成對應的可執行文件。

  • 預處理階段

    命令：clang -E main.m
    宏在預處理階段會被替換掉，typedef不會被替換掉，所以一般為了安全可以使用，做代碼混淆

  • 編譯階段

    • 詞法分析

      預處理完成后就會進行詞法分析.這里會把代碼切成一個個Token,比如大小括 號，等于號還有字符串等
      命令： clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m
      注：如果頭文件找不到可以指定sdk
      clang -isysroot （自己SDK路徑） -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m
      clang -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator14.1.sdk/ -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m

    • 語法分析

      詞法分析完成之后就是語法分析，它的任務是驗證語法是否正確。在詞法分析的基礎上將單詞序列組合成各類語法短語，如“程序”，“語句”，“表達式”等等，然后將所有節點組成抽象語法樹(Abstract Syntax Tree, AST)。語法分析程序判斷源程序在結構上是否正確。
      命令： clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m
      • FunctionDecl 函數
      • ParmVarDecl 參數
      • CallExpr 調用一個函數
      • BinaryOperator 運算符

    • 生成中間代碼IR

      完成以上步驟后就開始生成中間代碼IR了，代碼生成器(Code Generation)會將語法樹自頂向下遍歷逐步翻譯成LLVM IR。通過下面命令可以生成.11的文本文件，查看IR代碼。
      命令：clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m
      Objective C代碼在這一步會進行runtime的橋接：property合成，ARC處理等
      IR的基本語法：
      • @ 全局標識
      • % 局部標識
      • alloca 開辟空間
      • align 內存對齊
      • i32 32個bit, 4個字節
      • store 寫入內存
      • load 讀取數據
      • call 調用函數
      • ret 返回
      IR優化：
      LLVM的優化級別分別是-O0 -O1 -O2 -O3 -Os(第一個是大寫英文字母O)
      優化命令：clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o main.ll 一般設置是在target - Build Setting - Optimization Level（優化器等級）中設置
      Debug情況下默認是不優化，Release情況下默認Fastest、Smallest
      優化后的代碼：

    • bitCode

      xcode7以后開啟bitcode蘋果會做進一步的優化。生成.be的中間代碼。 我們通過優化后的IR代碼生成.be代碼
      命令：clang -emit-llvm -c main.ll -o main.bc

    • 生成匯編代碼

      最終通過.be或者.ll代碼生成匯編代碼
      命令：
      clang -S -fobjc-arc main.bc -o main.s
      clang -S -fobjc-arc main.ll -o main.s
      當然生成的匯編代碼也可以進行優化（注意如果生成IR代碼已經做過優化了此時在優化不會再起作用）
      命令：clang -Os -S -fobjc-arc main.m -o main.s

    • 生成目標文件（匯編器）

      目標文件的生成，是匯編器以匯編代碼作為輸入，將匯編代碼轉換為機器代碼, 最后輸出目標文件(object file)
      命令： clang -fmodules -c main.s -o main.o
      可以發現是個Mach-O文件
      通過nm命令，查看下main.o中的符號
      命令： xcrun nm -nm main.o
      發現找不到_printf這個方法，應為_printf是從外部的庫引入

    • 生成可執行文件（鏈接）

      連接器把編譯產生的.o文件和(.dylib .a)文件，生成一個mach-o文件。
      命令：clang main.o -o main
      發現此時是一個可執行的Mach-O文件
      再查看鏈接之后的符號
      應為OC的特性運行時，動態庫實在運行時需要使用的時候再加載到內存的，所以編一階段找不到對應的方法

• LLVM編譯流程圖

作者：Potato_土豆
鏈接：https://juejin.cn/post/6959865646125416484
來源：稀土掘金
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總結

以上是生活随笔為你收集整理的（三）Clang/ LLVM编译流程简述的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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