Swift’s use of SIL

Swift 是一门静态语言，在 Swift 中声明的方法和属性静态编译期就确定了的，并且Swift具有更灵活的高级特性，协议，泛型，方法重载，值引用等，所以其与OC运行时动态消息派发不同，需要支持静态派发以及动态派发，目前的这些特性Clang并不能完全支持。

因此苹果另外实现了一套 Swift() 作为Swift的编译前端，由于其语言特性，反而有更多的优化空间。

其使用SIL作为前端中间表示层，与IR差异很大，大致体现在：

• 在编译期完全确定的调用关系会采用静态派发，即在可执行文件中直接指定方法实现的内存地址的指针，在运行时直接通过指针调用
• 在编译期间无法确定最终合适的操作时，则会执行动态派发。Swift又不完全同于C++的方式，其除了支持继承使用的虚函数表vtable，还加入了支持面向协议编程的witness table
• 通过dynamic关键字对方法标记，使用OC的运行时机制
• 由于支持函数重载，也就引出了name mangling（名字修饰）机制，其目的是给同名的重载函数不同的签名
• ...
  
  

1. Clang vs Swift()：

Clang

• Wide abstraction gap between source and LLVM IR
• IR isn't suitable for source-level analysis
• CFG lacks fidelity
• CFG is off the hot path
• Duplicated effort in CFG and IR lowering

clang.png

Swift

• Higher-level language
  • Move more of the language into code
  • Protocol-based generics
• Safe language
  • Uninitialized vars, unreachable code should be compiler errors
  • Bounds and overflow checks

swift.png

2. V-Table

常见的编译型语言的动态派发方式，编译器层使用一个表格结构来存储类型声明中的每一个函数指针。C++中称之为虚函数表VTable，也是其支持多态的基础。

在Swift中，拥有继承关系的Class采用此种方式，即每一个类会维护一个函数表，该表会记录该类中所有的函数指针：

1. 由父类继承而来的方法执行地址。
2. 如果子类重写父类方法，表中会保存被重载之后的函数。
3. 子类新增的函数会加入到表的末尾。

然后在程序运行期间查表执行具体实现。

3. Protocol Witness Table

因为协议不一定具有继承关系，所以其创建了Protocol Witness Table。大致实现为：Swift会为每一个实现了该协议的对象生成一个大小一致的结构体，这个结构体被称为Existenial Container，它内部包含PWT，表中存储着一组函数的执行地址，而表中的每一个条目指向了符合该协议的类型信息。该结构体中还保留了三个字长的valueBuffer用来存储数据成员。

4. SIL

SIL是一种SSA形式的IR，具有高级语义信息，旨在实现Swift编程语言。 SIL适用于以下用例：

• 一组有保证的高级优化，可为运行时和诊断行为提供可预测的基准。
• 诊断数据流分析过程可满足Swift语言要求，例如变量和构造函数的确定性初始化，代码可访问性，开关覆盖率。
• 高级优化过程，包括保留/释放优化，动态方法去虚拟化，闭包内联，将堆分配提升为堆栈分配，将堆分配提升为SSA寄存器，将标量替换为标量（将标量分配拆分为多个较小的标量）和通用函数实例化。
• 一种稳定的分发格式，可用于分发带有Swift库模块的“易碎”的内联代码或通用代码，并将其优化为客户端二进制文件。

与LLVM IR相比，SIL是一种通常与目标无关的格式表示形式，可用于代码分发，但它也可以像LLVM一样表示特定于目标的概念。

• 完全代表程序语义
• 专为代码生成和分析而设计
• 位于编译器管道的热路径上
• 修复了源代码和LLVM之间的抽象鸿沟

在较高的层次上，Swift编译器遵循严格的管道架构：

• Parse模块从Swift源代码构造AST。
• Sema模块对AST进行类型检查，并使用类型信息对其进行注释。
• SILGen模块从AST生成raw SIL。
• 在原始SIL上运行一系列“保证的优化Pass”和“诊断Pass”，以执行优化并发出特定于语言的诊断信息。即使在-Onone上，它们也始终运行，并生成规范SIL。
• 常规SIL 优化Pass（可选）在规范的SIL上运行，以提高生成的可执行文件的性能。这些是由优化级别启用和控制的，而不是在-Onone上运行。
• IRGen将规范SIL降低为LLVM IR。
• LLVM后端（可选）使用LLVM优化，运行LLVM代码生成器并产生二进制代码。
  
  

5. SILGen

SILGen通过遍历经过类型检查的Swift AST来生成“原始SIL”。 SILGen发出的SIL形式具有以下特性：

• 变量通过加载和存储可变存储器位置来表示，而不是采用严格的SSA形式。 这类似于前端（如Clang）发出的初始“alloca”大量的LLVM IR。 但是，在最普通的情况下，Swift将变量表示为引用计数的“boxes”，可以将其保留，释放并捕获到闭包中。
• 尚未执行数据流要求，例如最终分配，函数返回，开关覆盖率（TBD）等。
• transparent功能优化尚未实现。

这些属性通过后续保证的优化和诊断遍历得到解决，这些遍历始终针对原始SIL运行。

6. General Optimization Passes

SIL捕获特定语言的类型信息，从而可以实现在LLVM IR上难以执行的高级优化。

• Generic Specialization 分析对泛型函数的专门调用，并生成函数的新的指定版本。然后，它将泛型的所有指定用法重写为对指定功能的直接调用。
• 给定类型的 Witness and VTable Devirtualization 从类的vtable或类型见证表中查找关联的方法，并将间接虚拟调用替换为对映射函数的调用。
• Performance Inlining
• Reference Counting Optimizations
• Memory Promotion/Optimizations
• High-level domain specific optimizations Swift编译器在基础的Swift容器（例如Array或String）上实现了高级优化。特定于域的优化需要在标准库和优化器之间定义接口。更多细节可以查看：HighLevelSILOptimizations

如下代码为swift实现代码在SIL下的展现形式：

sil_stage canonical 

import Swift 

//定义SIL函数使用的类型。

struct Point { 
  var x：Double 
  var y：Double 
} 

class Button { 
  func onClick（）
  func onMouseDown（）
  func onMouseUp（）
} 

//声明一个Swift函数。主体被SIL忽略。
func taxicabNorm（_ a：Point）-> Double { 
  return a.x + a.y 
} 

//定义SIL函数。
//名称@_T5norms11taxicabNormfT1aV5norms5Point_Sd是 taxicabNorm Swift函数的错误名称。
sil @ _T5norms11taxicabNormfT1aV5norms5Point_Sd：$（Point）-> Double { 
bb0（％0：$ Point）：
  // func Swift。+（Double，Double）-> Double 
  ％1 = function_ref @ _Tsoi1pfTSdSd_Sd 
  ％2 = struct_extract％0：$ Point，＃Point.x 
  ％3 = struct_extract％0：$ Point，＃Point.y 
  ％4 = apply％1（％2，％3）：$（Double，Double）-> Double 
  return％4：Double 
} 

//定义SIL vtable。匹配动态分派的方法
//标识与其已知静态类类型的实现相匹配。
sil_vtable Button { 
  ＃Button.onClick！1：@ _TC5norms6Button7onClickfS0_FT_T_ 
  ＃Button.onMouseDown！1：@ _TC5norms6Button11onMouseDownfS0_FT_T_ 
  ＃Button.onMouseUp！1：@ _TC5norms6Button9onMouseUpfS0_FT_T_ 
}

7. Swift’s use of SIL 流程

Two Phases of SIL Passes.png