LLVM概述

LLVM是架構(gòu)編譯器的框架系統(tǒng)，以C++編寫而成，用于優(yōu)化任意程序語(yǔ)言編寫的程序的編譯時(shí)間（compile-time）、鏈接時(shí)間（link-time）、運(yùn)行時(shí)間（run-time）以及空閑時(shí)間（idle-time）。

LLVM的設(shè)計(jì)

LLVM的一大特色就是，有著獨(dú)立的、完善的、嚴(yán)格約束的中間代碼表示。這種中間代碼，就是LLVM的字節(jié)碼，是LLVM抽象的精髓，前端生成這種中間代碼，后端自動(dòng)進(jìn)行各類優(yōu)化分析，讓用LLVM開發(fā)的編譯器，都能用上最先見(jiàn)的后端優(yōu)化技術(shù)。

傳統(tǒng)編譯器設(shè)計(jì)

• Frontend

  ????編譯器前端的任務(wù)是解析源代碼（編譯階段），它會(huì)進(jìn)行 詞法分析、語(yǔ)法分析、語(yǔ)義分析、檢查源代碼是否存在錯(cuò)誤，然后構(gòu)建抽象語(yǔ)法樹（Abstract Syntax Tree AST），LLVM的前端還會(huì)生成中間代碼（intermediate representation，簡(jiǎn)稱IR），可以理解為llvm是編譯器 + 優(yōu)化器， 接收的是IR中間代碼，輸出的還是IR，給后端，經(jīng)過(guò)后端翻譯成目標(biāo)指令集

• 優(yōu)化器 Optimizer

  ????優(yōu)化器負(fù)責(zé)進(jìn)行各種優(yōu)化，改善代碼的運(yùn)行時(shí)間，例如消除冗余計(jì)算等

• 后端 Backend（代碼生成器 Code Generator）

  ????將代碼映射到目標(biāo)指令集，生成機(jī)器代碼，并且進(jìn)行機(jī)器代碼相關(guān)的代碼優(yōu)化。

LLVM將中間代碼優(yōu)化這個(gè)流程做到了極致，LLVM工具鏈，不但可以生成所支持的各個(gè)后端平臺(tái)的代碼，更可以方便的將各語(yǔ)言的前端編譯后的模塊鏈接到一起，你可以方便的在你的語(yǔ)言中調(diào)用C函數(shù)。

LLVM的設(shè)計(jì)

iOS的編譯器架構(gòu)

OC 、C、C++ 使用的編譯器前端是 Clang ，后端都是LLVM，如下圖所示

iOS的編譯器

Clang概述

Clang 是一個(gè) C++ 編寫、基于 LLVM、發(fā)布于 LLVM BSD 許可證下的 C/C++/Objective C/Objective C++ 編譯器。

Clang 編譯流程

通過(guò)命令可以打印源碼的編譯階段
clang -ccc-print-phases 源文件路徑

得到結(jié)果如下：

1. 輸入文件：找到源文件
   input, "main.m", objective-c

2. 預(yù)處理階段：這個(gè)過(guò)程處理包括宏的替換，頭文件的導(dǎo)入
   preprocessor, {0}, objective-c-cpp-output

3. 編譯階段：進(jìn)行詞法分析、語(yǔ)法分析、檢測(cè)語(yǔ)法是否正確，最終生成IR
   compiler, {1}, ir

4. 后端：這里L(fēng)LVM會(huì)通過(guò)一個(gè)一個(gè)的pass去優(yōu)化，每個(gè)pass做一些事情，最終生成匯編代碼
   backend, {2}, assembler

5. 匯編代碼生成目標(biāo)文件
   assembler, {3}, object

6. 鏈接：鏈接需要的動(dòng)態(tài)庫(kù)和靜態(tài)庫(kù)，生成可執(zhí)行文件
   linker, {4}, image（鏡像文件）

7. 綁定：通過(guò)不同的架構(gòu)，生成對(duì)應(yīng)的可執(zhí)行文件
   bind-arch, "x86_64", {5}, image

預(yù)處理階段

????這個(gè)階段主要是處理包括宏的替換，頭文件的導(dǎo)入，可以執(zhí)行命令 clang -E 源文件路徑，執(zhí)行完畢可以看到頭文件的導(dǎo)入和宏的替換。define則在預(yù)處理階段會(huì)被替換，所以經(jīng)常被是用來(lái)進(jìn)行代碼混淆，目的是為了 app 安全，實(shí)現(xiàn)邏輯是：將 app 中核心類、核心方法等用系統(tǒng)相似的名稱進(jìn)行取別名，然后在預(yù)處理階段就被替換，來(lái)達(dá)到代碼混淆的目的。

clang -E main.m

編譯階段

詞法分析

預(yù)處理完成后就會(huì)進(jìn)行詞法分析，這里會(huì)把代碼切成一個(gè)個(gè) token，比如大小括號(hào)、等于號(hào)、還有字符串等，

clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens 源文件路徑

語(yǔ)法分析

語(yǔ)法分析，它的任務(wù)是驗(yàn)證語(yǔ)法是否正確，在詞法分析的基礎(chǔ)上將單詞序列組合成各類此法短語(yǔ)，如程序、語(yǔ)句、表達(dá)式 等等，然后將所有節(jié)點(diǎn)組成抽象語(yǔ)法樹（Abstract Syntax Tree AST），語(yǔ)法分析程序判斷程序在結(jié)構(gòu)上是否正確。

clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump 源文件路徑

• FunctionDecl 函數(shù)
• ParmVarDecl 參數(shù)
• CallExpr 調(diào)用一個(gè)函數(shù)
• BinaryOperator 運(yùn)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(huì)將語(yǔ)法樹自頂向下遍歷逐步翻譯成 LLVM IR,可以通過(guò)下面命令可以生成 .ll 的文本文件，查看 IR 代碼。

clang -S -fobjc-arc -emit-llvm 源文件路徑 -o 輸出文件路徑

Objective-C 代碼在這一步會(huì)進(jìn)行 runtime 橋接，property 合成、ARC 處理等。

IR 基本語(yǔ)法

• @ 全局標(biāo)識(shí)
• % 局部標(biāo)識(shí)
• alloca 開辟空間
• align 內(nèi)存對(duì)齊
• i32 32bit，4個(gè)字節(jié)
• store 寫入內(nèi)存
• load 讀取數(shù)據(jù)
• call 調(diào)用函數(shù)
• ret 返回

Optimization Level

當(dāng)然，IR 文件在 Objective-C 中是可以進(jìn)行優(yōu)化的，一般設(shè)置是在 target - Build Setting - Optimization Level（優(yōu)化器等級(jí)）中設(shè)置。

Optimization Level 優(yōu)化級(jí)別

clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm 源文件路徑 -o 輸出文件路徑

BitCode

xcode7 以后開啟 bitcode ，蘋果會(huì)做進(jìn)一步優(yōu)化，生成 .bc 的中間代碼，我們通過(guò)優(yōu)化后的 IR 代碼生成 .bc代碼

clang -emit-llvm -c .ll源文件 -o .bc文件

后端

LLVM 在后端主要是會(huì)通過(guò)一個(gè)個(gè)的 Pass 去優(yōu)化，每個(gè) Pass 做一些事情，最終生成匯編代碼。我們通過(guò)最終的 .bc 或者 .ll 代碼生成匯編代碼:

 clang -S -fobjc-arc .bc 文件 -o .s 文件
 clang -S -fobjc-arc .ll 文件 -o .s 文件

生成匯編代碼也可以進(jìn)行優(yōu)化

clang -Os -S -fobjc-arc .m 文件 -o .s 文件

生成目標(biāo)文件

目標(biāo)文件的生成，是匯編器以匯編代碼作為插入，將匯編代碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器代碼，最后輸出目標(biāo)文件（object file）

clang -fmodules -c .s 文件 -o .o 文件

可以通過(guò) nm 命令，查看下 main.o 中的符號(hào)

xcrun nm -nm .o 文件

• undefined 表示在當(dāng)前文件暫時(shí)找不到符號(hào)

• external 表示這個(gè)符號(hào)是外部可以訪問(wèn)的

鏈接

鏈接主要是鏈接需要的動(dòng)態(tài)庫(kù)和靜態(tài)庫(kù)，生成可執(zhí)行文件，其中靜態(tài)庫(kù)會(huì)和可執(zhí)行文件合并，動(dòng)態(tài)庫(kù)是獨(dú)立的。連接器把編譯生成的 .o 文件和 .dyld、.a 文件鏈接，生成一個(gè) mach-o 文件

clang .o 文件 -o 輸出文件

LLVM 工程編譯

下載源碼

git clone https://github.com/llvm/llvm-project.git

安裝 cmake

brew install cmake

通過(guò) xcode 編譯 LLVM

• cmake 編譯成 Xcode 項(xiàng)目

  cd llvm-project
  mkdir build_xcode
  cd build_xcode
  cmake -G Xcode ../llvm
  

• 打開 build_xcode/LLVM.xcodeproj 文件

• 選擇 Automatically Create Schemes (目前 xcode version 13.2.1)

• 選擇 ALL_BUILD Secheme 進(jìn)行編譯

通過(guò) ninja 編譯 LLVM

• 安裝 ninja

  brew install ninja
  

• 在 llvm-project 目錄下創(chuàng)建文件夾 build_ninja 、 llvm-release

  cd llvm-project
  mkdir build_ninja
  mkdir llvm_release
  

• cmake 編譯

  cd build_ninja
  cmake -G Ninja ../llvm -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=../llvm_release
  

• ninja 運(yùn)行

   ninja install