iOS底層探索之LLVM(一)——初識LLVM

1. 寫在前面

現在出去面試，啟動優化是繞不開的，到底我們的

APP

該如何去進行優化呢 ？在優化之前我們必須要先了解

LLVM

，那什麼是

LLVM

呢？

在介紹

LLVM

之前，先來認識一下

解釋型語言

和

編譯型語言

。

我們編寫的

源代碼

是偏向于我們人類直接的語言，我們非常輕松的就了解了，但是對于

計算機硬體

（CPU）而言，簡直就是個天書，計算機是無法直接運作的。計算機隻能識别某些特定的

二進制指令

，是以我們的代碼在程式真正運作之前必須将源代碼

轉換

成二進制指令。源代碼轉換成二進制指令，不同的程式設計語言有不同的規定。

解釋型語言

有的程式設計語言可以一邊執行一邊轉換，不會生成可執行檔案再去執行，這種程式設計語言稱為

解釋型語言

，使用的轉換工具稱為

解釋器

，比如

Python

、

JavaScript

、

PHP

等。

下面就舉個例子，使用

vim

指令建立立一個

python

檔案，字尾為

.py

，寫入代碼

print("hello world!")

，通過

python

指令，解釋這段代碼，列印一下

hello world !

這句話。

我看可以看到解釋型語言，它是邊解釋邊執行，不可脫離解釋器環境運作。

MAC

電腦自帶了

Python

環境，無需另外手動配置環境。

編譯型語言

有的程式設計語言要轉換成

二進制指令

，也就是生成一個可執行程式這種程式設計語言稱為

編譯型語言

，使用的轉換工具稱為

編譯器

，比如

C

語言、

C++

、

OC

等。

編譯型語言也同樣舉個例子，建立立一個

C

檔案，寫入如下代碼：

#include<stdio.h>
int main (int argc,char *agrv[])
{
    printf("hello world\n");

	 return 0;
}

           

通過

clang hello.c

指令，進行編譯處理，會生成一個可執行檔案，如下圖中紅色的

a.out

檔案。

這個可執行檔案，可以直接運作，通過

./a.out

即可運作，如圖中也可以正常輸出

hello world

這句話。

編譯型語言是先整體編譯，再執行，運作速度快，任意改動需重新編譯，可脫離編譯環境運作。

小結：

• 解釋型語言：讀到相應代碼就直接執行。
• 編譯型語言：先将代碼編譯成計算機可以識别的二進制檔案，才能執行。

擴充：

通過

open /usr/bin

指令可以檢視，電腦上安裝的一些系統軟體。

/usr

不是

user

的縮寫，其實

us

r是

Unix Software Resource

的縮寫， 也就是

Unix

作業系統軟體資源所放置的目錄，而不是使用者的資料；所有系統預設的軟體都會放置到

/us

r, 系統安裝完時，這個目錄會占用最多的硬碟容量。

在該目錄下可以看到，有我們的

clang

編譯器，還有

Python

解釋器，如下圖所示：

MacOS

系統 預設安裝的是

python2

的環境，輸入

python

，按下

enter

Enter鍵，可以檢視：

警告：不推薦使用

Python 2.7

，為了與舊軟體相容

macOS

中才包含了此版本。

macOS

的未來版本将不包含

Python 2.7

。

相反，建議您從終端内過渡到使用

“python3”

。

如果你是

python

的開發者，那麼日常使用的是

python3

，可以在終端中輸入

python3

檢視是否支援：

可以看到我的電腦是支援的，我這裡的版本是

Python 3.7.7

的版本，如果你的電腦沒有支援，可以去

python

官網下載下傳。

2. LLVM

LLVM簡介

LLVM

是構架編譯器(

compiler

)的架構系統，以

C++

編寫而成，用于優化以任意程式語言編寫的程式的

編譯時間

(

compile-time

)、

連結時間

(

link-time

)、

運作時間

(

run-time

)以及

空閑時間

(

idle-time

)，對開發者保持開放，并相容已有腳本。

LLVM

計劃啟動于

2000

年，最初由美國

UIUC

大學的

ChrisLattner

博士主持開展。

2006

年

ChrisLattner

加盟

AppleInc

并緻力于

LLVM

在

Apple

開發體系中的應用。

Apple

也是

LLVM

計劃的主要資助者。目前

LLVM

已經被蘋果

IOS

開發工具、

Xilinx Vivado

、

Facebook

、

Google

等各大公司采用。

傳統編譯器設計

我們先來看看傳統編譯器設計是怎麼樣的，如下圖所示：

• 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

，

文法分析

，

語義分析

，檢查源代碼是否存在錯誤，然後建構

抽象文法樹

(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，改善代碼的運作時間，例如消除備援計算等。

• 後端(Backend)/代碼生成器(CodeGenerator)

将代碼映射到目标指令集，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

ObjectiveC/C/C++

使用的編譯器前端是

Clang

，

Swift

是

Swift

，後端都是

LLVM

。

LLVM的設計

當編譯器決定支援多種源語言或多種硬體架構時，

LLVM

最重要的地方就來了。

其他的編譯器如

GCC

是非常成功的一款編譯器，但由于它是作為整體應用程式設計的，是以它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表示

代碼

的形式。是以

LLVM

可以為任何程式設計語言獨立編寫前端，并且可以為任意硬體架構

獨立

編寫後端。

• Clang

對于我們的開發人員來說，看得見摸得着的，接觸最多的就是我們的

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。對于開發者來說，研究

Clang

可以給我們帶來很多好處。

3. 編譯流程

那麼我們寫一段代碼，來測試一下，看看編譯流程是什麼樣子的。

int main(int argc, const char * argv[]) {
	@autoreleasepool {

	}
	return 0;
}
           

編譯的各個階段

通過一下指令，可以列印源碼的編譯階段。

clang -ccc-print-phases main.m

• 0:

  輸入檔案

  :找到源檔案。
• 1:

  預處理階段

  :這個過程處理包括宏的替換，頭檔案的導入。
• 2:

  編譯階段

  :進行詞法分析、文法分析、檢測文法是否正确，最終生成

  IR

  。
• 3:

  後端

  :這裡

  LLVM

  會通過一個一個的

  Pass

  (可以了解為一個節點)去優化，每個

  Pass

  做一些事情，最終生成

  彙編代碼

  。
• 4:彙編代碼

  生成目标檔案

  。
• 5:

  連結

  :連結需要的動态庫和靜态庫，生成相應的

  鏡像

  可執行檔案。
• 6:根據不同的系統架構，生成對應的可執行檔案。

上面已經知道了編譯的流程了，那麼我們一步一步去看看各個階段是什麼樣子的。

#import <stdio.h>
#define B 50
int main(int argc, const char * argv[]) {
	int a = 10;
	int c = 20;
	printf("%d",a + c + B);
	return 0;
}
           

預處理階段

執行如下指令

clang -E main.m >> main1.m

執行完畢後，我們可以在

main1.m

的檔案中，可以看到頭檔案的導入和

宏的替換

。

詞法分析

編譯階段-詞法分析

預處理

完成後就會進行

詞法分析

，這裡會把代碼切成一個個

Token

，比如大小括号，等于号還有字元串等。

#import <stdio.h>
#define B 50
typedef int JP_INT;
int main(int argc, const char * argv[]) {
	JP_INT a = 10;
	JP_INT c = 20;
	printf("%d",a + c + B);
	return 0;
}
           

clang -fmodules-fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m

指令運作之後，進行了詞法分析，每一行的代碼都分開了，切成一個個

Token

。

文法分析

詞法分析完成之後就是

文法分析

，它的任務是驗證文法是否正确。在

詞法分析

的基礎上将

單詞序列組合成

各類

文法短語

，如“

程式

”，“

語句

”，“

表達式

”等等，然後将所有節點組成

抽象文法樹

(AbstractSyntaxTree，AST)。

文法分析

其目的就是對源程式進行分析判斷，在結構上是否正确。

clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m

• FunctionDecl

  函數方法聲明，範圍是第

  10

  行第

  1

  個字元開始 到第

  15

  行第

  1

  個字元結束。第

  10

  行第

  5

  個字元開始，名稱叫

  main

  ，傳回值是

  int

  類型，第一個參數的類型是

  int

  ，第二個參數的類型是

  const char **

  。這裡為什麼是

  const char **

  呢？因為數組的名稱就是一個指針，

  const char ** argv

  等于

  const char * argv[]

  。

  

• ParmVarDecl

  參數，目前行的第

  10

  個字元到第

  14

  個字元是

  int

  類型所占有，第

  14

  個字元是參數

  argc

  。

• CompoundStmt

  複合語句，目前行第

  41

  個字元到，第

  15

  行代碼的第

  1

  個字元，也就是

  {}

  包裹的範圍。
• 這兩句代碼

  JP_INT a = 10; JP_INT c = 20;

  對應的是下面這個

  

• CallExpr

  調用表達式， 代碼中的

  printf

  函數的列印文法分析如下圖

  

  包括

  printf

  函數的指針，告訴我們函數的類型和傳回值的類型；第一個參數"%d"，第二個參數是一個

  +

  加運算的結果，是由

  a

  和

  c

  相加之和，再與

  50

  進行相加得到。

• ReturnStmt

  傳回

• VarDecl

  變量聲明

• StringLiteral

  字元串字面量

• IntegerLiteral

  整型字面量

• BinaryOperator

  二進制運算符

補充：如果導入的頭檔案找不到，可以指定SDK

clang isysroot/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/

iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator12.2.sdk(自己的 sdk路徑) -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m

中間代碼IR

完成以上步驟後就開始生成中間代碼

IR

(intermediate representation)了，代碼生成器(

Code Generation

)會将

文法樹

自頂向下周遊逐漸翻譯成

LLVM IR

。

#import <stdio.h>
//#define B 50
//typedef int JP_INT;
int JPTest(int a,int b) {
	return  a + b + 1;
}
int main(int argc, const char * argv[]) {
	int c = JPTest(1, 2);
	printf("%d",c);
	return 0;
}

           

通過下面指令可以生成

.ll

的文本檔案，檢視

IR

代碼，如下。

clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m

從圖中可以看到，生成了一個

.ll

的檔案，使用

VS Code

打開如下：

JPTest

方法的生成的

IR

代碼解讀如下：

ObjectiveC

代碼在這一步會進行

runtime

的橋接:

property

合成，

ARC

處理等。

IR

的基本文法

@: 全局辨別

% : 局部辨別

alloca: 開辟空間

align: 記憶體對齊

i32: 32個bit，4個位元組

store: 寫入記憶體

load: 讀取資料

call: 調用函數

ret: 傳回

以上生成的代碼是沒有經過優化的，我們可以手動的開啟編譯器的優化，在

XCode

裡面可以進行設定的。

IR的優化

LLVM

的優化級别分别是-O0-O1-O2-O3-Os(第一個是大寫英文字母

O

)

使用終端的指令，也是可以優化的，那麼現在去優化一下，剛剛的代碼。

clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o main1.ll

從上面的對比圖，可以看出優化之後，

JPTest

和

mian

代碼都少了很多，在

mian

函數裡面并沒有看到調用

JPTest

函數，而是

printf

直接列印了

c

的結果

4

，這就是優化的強大之處，如下：

優化之後，直接就算出來結果了，這優化還是很給力的哈！優化等級也不是越高就越好。在

XCode

裡面的優化選項裡面

release

環境下預設的優化就是最好的了，蘋果肯定是給你最好的優化啊。

• 小結：

編譯流程：首先是

預處理

，對輸入代碼的宏進行展開；然後是

詞法分析

，會分成一個一個的

token

；再是

文法分析

，會生成

AST文法樹

；再就會生成

IR

代碼，交給優化器去處理優化代碼。

• bitCode

這是

xcode7

以後開啟

bitcode

蘋果會做進一步的優化，生成

bc

的中間代碼。我們通過優化後的

IR

代碼生成

bc

代碼，這也是一個中間代碼，目的是會根據

CPU

的不同架構生成不同大小的包(App Store 商店下載下傳)。

clang -emit-llvm -c main.ll -o main.bc

生成彙編代碼

• 生成彙編代碼

我們通過最終的

.bc

或者

.ll

代碼生成彙編代碼

clang -S -fobjc-arc main.bc -o main.s

clang -S -fobjc-arc main.ll -o main.s

• 生成的彙編比較

圖中是三種不同字尾生成的彙編代碼

• IR

  直接生成的彙編是

  55

  行，計算優化了

• IR

  生成的

  bc

  在生成彙編，在

  IR

  的基礎上沒有進一步的優化了，還是

  55

  行
• 原始的

  main

  代碼直接生成的彙編就是

  62

  行了

生成彙編代碼的時候也是可以再次進行優化的，那麼我們用上面生成的

.bc

試一下，開啟優化最大，看看生成的彙編是有多少行呢？

clang -Os -S -fobjc-arc main.bc -o main3.s

我們把優化等級調到最高，生成的彙編代碼就

47

行了，比上面的

55

行少了

8

行，也就是說生成的

IR

或者

bc

的時候，優化并沒有停止，每一個節點上面都有可能再次優化。

生成目标檔案(彙編器)

目标檔案的生成，是

彙編器

以彙編代碼作為

輸入

，将彙編代碼轉換為

機器代碼

，最後輸出

目标檔案

(object-file)，這個階段就是屬于編譯器後端的工作了。

clang -fmodules -c main.s -o main.o

通過

nm

指令，檢視下

main.o

中的符号

xcrun nm -nm main.o

• _printf

  是一個是

  undefined external

  的。

• undefined

  表示在目前檔案暫時找不到符号

  _printf

• external

  表示這個符号是外部可以通路的。

生成可執行檔案(連結)

連接配接器把編譯産生的

.o

檔案和(dylib .a)檔案，生成一個

mach-o

檔案(可執行檔案)。

clang main.o -o main

• 檢視連結之後的符号

• 現在列印的資訊就多了，

  _JPTest

  和

  _main

  也還在，偏移位址也有了，也就是說在執行檔案中的位置就确定了。
• 現在的外部函數除了

  _printf

  還有

  dyld_stub_binder

  ，這是為什麼呢？

• dyld_stub_binder

  是在

  dyld

  裡面，當我們的執行檔案

  mach-o

  進入的記憶體之後，外部的符号就會立刻馬上和

  dyld_stub_binder

  進行綁定，這個過程是

  dyld

  強制綁定的。
• 連結和綁定是兩個概念：連結是我要知道你外部的符号在哪個動态庫裡面，就是做個标記，我要知道去哪個動态庫裡面找到你。
• 綁定是在執行的時候，把動态庫

  libSystem

  裡面的和你這個外部調用的

  _printf

  進行綁定，綁定是在執行期，連結是在編譯期。

以上就是

LLVM

大緻的工作流程，接下來将介紹如何寫一個自己的

Clang

插件。

4. 寫在後面

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