llvm

LLVM項目是子產品化、可重用的編譯器以及工具鍊技術的集合。

美國計算機協會 (ACM) 将其2012 年軟體系統獎項頒給了LLVM，之前曾經獲得此獎項的軟體和技術包括:Java、Apache、 Mosaic、the World Wide Web、Smalltalk、UNIX、Eclipse等等

創始人:Chris Lattner，亦是Swift之父

趣聞：Chris Latter本來隻是想寫一個底層的虛拟機，這也是LLVM名字的由來，low level virtual machine，跟Java的JVM虛拟機一樣，可是後來，llvm從來沒有被用作過虛拟機，哪怕LLVM的名氣已經傳開了。是以人們決定仍然叫他LLVM，更多的時候隻是當作“商标”一樣的感覺在使用，其實它跟虛拟機沒有半毛錢關系。官方描述如下 The name "LLVM" itself is not an acronym; it is the full name of the project. “LLVM”這個名稱本身不是首字母縮略詞; 它是項目的全名。

傳統編譯器架構

Frontend:前端

詞法分析、文法分析、語義分析、生成中間代碼

Optimizer:優化器

中間代碼優化

Backend:後端

生成機器碼

LLVM架構

不同的前端後端使用統一的中間代碼LLVM Intermediate Representation (LLVM IR)

如果需要支援一種新的程式設計語言，那麼隻需要實作一個新的前端

如果需要支援一種新的硬體裝置，那麼隻需要實作一個新的後端

優化階段是一個通用的階段，它針對的是統一的LLVM IR，不論是支援新的程式設計語言，還是支援新的硬體裝置，都不需要對優化階段做修改

相比之下，GCC的前端和後端沒分得太開，前端後端耦合在了一起。是以GCC為了支援一門新的語言，或者為了支援一個新的目标平台，就 變得特别困難

LLVM現在被作為實作各種靜态和運作時編譯語言的通用基礎結構(GCC家族、Java、.NET、Python、Ruby、Scheme、Haskell、D等)

LLVM項目的一個子項目，基于LLVM架構的C/C++/Objective-C編譯器前端。

相比于GCC，Clang具有如下優點

編譯速度快:在某些平台上，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)

占用記憶體小:Clang生成的AST所占用的記憶體是GCC的五分之一左右

子產品化設計:Clang采用基于庫的子產品化設計，易于 IDE 內建及其他用途的重用

診斷資訊可讀性強:在編譯過程中，Clang 建立并保留了大量詳細的中繼資料 (metadata)，有利于調試和錯誤報告

設計清晰簡單，容易了解，易于擴充增強

Clang與LLVM

LLVM整體架構，前端用的是clang，廣義的LLVM是指整個LLVM架構，一般狹義的LLVM指的是LLVM後端（包含代碼優化和目标代碼生成）。

源代碼（c/c++）經過clang--> 中間代碼(經過一系列的優化，優化用的是Pass) --> 機器碼

這裡用Xcode建立一個Test項目，然後cd到main.m的上一路徑。

指令行檢視編譯的過程:$ clang -ccc-print-phases main.m

0.找到main.m檔案

1.預處理器，處理include、import、宏定義

2.編譯器編譯，編譯成ir中間代碼

3.後端，生成目标代碼

4.彙編

5.連結其他動态庫靜态庫

6.編譯成适合某個架構的代碼

檢視preprocessor(預處理)的結果:$ clang -E main.m

這個指令敲出，終端就會列印許多資訊，大緻如下：

詞法分析，生成Token: $ clang -fmodules -E -Xclang -dump-tokens main.m

将代碼分成一個個小單元（token）

舉例如下：

可以看出，詞法分析的時候，将上面的代碼拆分一個個token，後面數字表示某一行的第幾個字元，例如第一個void，表示第18行第一個字元。

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

通過文法樹，我們能知道這個代碼是做什麼的。

還是剛剛的test函數

生成文法樹如下：

在終端敲出的時候，終端很直覺的幫我們用顔色區分。我們可以用圖形顯示如下：

test函數的文法樹

LLVM IR有3種表示形式（本質是等價的）

text:便于閱讀的文本格式，類似于彙編語言，拓展名.ll， $ clang -S -emit-llvm main.m

memory:記憶體格式

bitcode:二進制格式，拓展名.bc， $ clang -c -emit-llvm main.m

我們以text形式編譯檢視：

IR基本文法

注釋以分号 ; 開頭

全局辨別符以@開頭，局部辨別符以%開頭

alloca，在目前函數棧幀中配置設定記憶體

i32，32bit，4個位元組的意思

align，記憶體對齊

store，寫入資料

load，讀取資料

官方文法參考 ​​https://llvm.org/docs/LangRef.html​​

我們的開發都是基于源碼開發，是以我們首先要進行源碼下載下傳和編譯。

源碼下載下傳

源碼編譯

這裡我們在終端敲出的clang是xcode預設内置clang編譯器，我們自己要進行LLVM開發的話，需要編譯屬于我們自己的clang編譯器

接下來依次執行編譯、安裝指令

然後到這裡我們的編譯就完成了。

另一種方式是通過Xcode編譯，生成Xcode項目再進行編譯，但是速度很慢(可能需要1個多小時)。

應用與實踐的參考

libclang、libTooling

官方參考:https://clang.llvm.org/docs/Tooling.html

應用:文法樹分析、語言轉換等

Clang插件開發

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

應用:代碼檢查(命名規範、代碼規範)等

Pass開發

官方參考:https://llvm.org/docs/WritingAnLLVMPass.html

應用:代碼優化、代碼混淆等

開發新的程式設計語言

1、 https://llvm-tutorial-cn.readthedocs.io/en/latest/index.html

2、https://kaleidoscope-llvm-tutorial-zh-cn.readthedocs.io/zh_CN/latest/