LLVM探索

LLVM的概念

日常开发过程我们的开发工具或多或少都跟LLVM扯得上一点关系，那么什么是LLVM呢？它有什么作用呢？首先我们需要明白两个概念解释型语言、编译型语言。解释型语言：当它读到当前代码就立即执行如python。编译型语言：他需要先把它翻译成CPU可以读懂的二进制文件才可以执行。LLVM也称为架构编译器，它是用C++编写的，主要作用是用于优化任意程序编写的程序编译时间􏰃􏰌􏰍􏰎􏰊􏰏􏰐􏰑􏰒􏰋􏰓􏰔􏰕􏰛􏰜􏰝􏰙􏰚、链接时间、运行时间和空闲时间，对开发者开放并兼容已有的脚本。

编译器设计

上图为传统的编译器设计，它是一种前后端分离的一种模式。
编译器前端（Frontend）：解析源代码。它会进行词法分析、语法分析、语义分析，源代码错误检查，并构建抽象语法树（AST），LLVM的前端还会生成中间代码（IR）。
优化器（Optimizer）：负责各种优化，改善代码的运行时间，如优化代码中的冗余计算。
后端（Backend）/代码生成器（CodeGenerator）：将优化后的代码转化为二进制文件并映射到目标指令集。

iOS的编译器架构

OC、C、C++使用的编译器前端是Clang，Swift使用的编译器前端是Swift，后端都是用的LLVM。

LLVM的优点

LLVM的设计，使用通用的代码表示形式IR，它是用来在编译器中表示代码的形式。LLVM可以为任何任何语言独立的编写前端，并为任意的硬件架构编写后端。

Clang

Clang是LLVM项目中的一个子项目。它是一个轻量级的编译器，它是负责编译C、C++， OC语言的编译器，它在LLVM架构中的编译器的前端。
终端输入open /usr/bin可以查看到编译器Clang

编译流程分析

• 首先创建一个.m文件，并cd到当前文件路径

  
  
• 终端输入clang -ccc-print-phases main.m，结果终端会打印如下
  
  0：输入文件，找到源文件。
  1：预处理阶段，处理宏的替换，头文件的引入。
  2：编译阶段，词法分析、语法分析、最终生成IR。
  3：后端：此阶段LLVM通过一个一个的pass去优化，最终生成汇编代码。
  4：生成目标文件。
  5：链接，链接需要的的动静态库，生成可执行文件。
  6：通过不同的架构生成对应的可执行文件。

预处理

终端执行clang -E main.m

执行完成后，我们可以看到头文件被导入和宏被替换了。

编译

什么叫词法分析呢？预处理阶段会将代码切成一个一个的token，如括号、等号、字符串等，这个过程称为词法分析。

什么叫语法分析呢？语法分析在词法分析之后，它主要是验证语法是否正确。在词法的基础之上把单词序号合成语法短语，如程序，表达式等，然后将所有的节点组成语法树（AST）。它主要分析程序在结构上是否正确。
终端输入clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m
输出结果如下图

生成IR（intermediate representation）

完成上述步骤代码生成器会将语法树自上到下逐步翻译成IR代码。
终端输入clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m可以查看IR代码
执行完成后可以发现目录下生成了一个.ll的文件

oc代码在这一步会进行runtime的桥接，property合成，ARC处理

• IR的基本语法
  @：全局标识
  %：􏴲􏴴􏲊􏴳局部标识
  alloca：􏰤􏴵􏰡􏰚开辟内存空间
  align： 􏴶􏱭􏰣􏴷内存对齐
  i32：32个􏳄bit􏰊，4个字节
  store：􏰌􏳤􏴶􏱭写入内存
  load：读取数据
  call：调用函数
  ret：􏴾􏴿返回

IR的优化

LLVM的优化级别分别是-O0 、-O1、-O2、-O3、-Os
终端指令clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o main.ll

bitCode

开启bitcode后xcode会对代码进一步优化，并生成.bc的中间代码。
终端指令clang -emit-llvm -c main.ll -o main.bc可以优化IR代码生成.bc代码

生成汇编代码

终端指令clang -S -fobjc-arc main.bc -o main.s或clang -S -fobjc-arc main.ll -o main.s 可以将将.bc或者.ll代码生成汇编代码。当然生成的汇编代码也可以通过终端指令clang -Os -S -fobjc-arc main.m -o main.s进一步优化

生成目标文件

目标文件的生成，是由汇编器以汇编代码作为输入，将汇编代码转化成机器代码，最后输出成目标文件。
终端指令clang -fmodules -c main.s -o main.o可以将汇编文件输出成目标文件。
main.o文件中的符号可以通过nm命令查看
终端指令xcrun nm -nm main.o

undefined： 􏲹􏲺􏱆􏲘􏱏􏳥􏲟􏵆􏰙􏳦􏴂􏲉􏴎􏴌表示在当前文件暂时找不到符号_printf。
external：表示这个符号外部可以访问。

生成可执行文件

连接器最终将编译生成的.o文件和.dylib.a文件，生成mach-o文件。
终端指令clang main.o -o main
同理我们也可以通过nm查看链接之后的可执行文件的符号。
终端指令xcrun nm -nm main

总结

• 编译流程：
  输入代码->展开预处理->词法分析（token）->语法分析 ->生成IR ->IR优化 ->生成汇编代码 ->生成目标文件 ->链接动静态库生成可执行文件。
• typedef：不做预处理，不是预处理指令。
• 优化等级不是越高越好，太高会把有用代码优化掉。
• .o文件不能执行，需要链接外部库，链接只是打标记。
• LLVM优点：前后端分离，扩展性非常强。
• LLVM会影响编译速度，优化可执行文件可以提高编译速度。
• 不同的节点上，还能进行优化。