了解 LLVM 编译器

LLVM概述

LLVM是架构编译器的框架系统，以C++编写而成，用于优化任意程序语言编写的程序的编译时间（compile-time）、链接时间（link-time）、运行时间（run-time）以及空闲时间（idle-time）。

LLVM的设计

LLVM的一大特色就是，有着独立的、完善的、严格约束的中间代码表示。这种中间代码，就是LLVM的字节码，是LLVM抽象的精髓，前端生成这种中间代码，后端自动进行各类优化分析，让用LLVM开发的编译器，都能用上最先见的后端优化技术。

传统编译器设计

• Frontend

      编译器前端的任务是解析源代码（编译阶段），它会进行 词法分析、语法分析、语义分析、检查源代码是否存在错误，然后构建抽象语法树（Abstract Syntax Tree AST），LLVM的前端还会生成中间代码（intermediate representation，简称IR），可以理解为llvm是编译器 + 优化器， 接收的是IR中间代码，输出的还是IR，给后端，经过后端翻译成目标指令集

• 优化器 Optimizer

      优化器负责进行各种优化，改善代码的运行时间，例如消除冗余计算等

• 后端 Backend（代码生成器 Code Generator）

      将代码映射到目标指令集，生成机器代码，并且进行机器代码相关的代码优化。

LLVM将中间代码优化这个流程做到了极致，LLVM工具链，不但可以生成所支持的各个后端平台的代码，更可以方便的将各语言的前端编译后的模块链接到一起，你可以方便的在你的语言中调用C函数。

LLVM的设计

iOS的编译器架构

OC 、C、C++ 使用的编译器前端是 Clang ，后端都是LLVM，如下图所示

iOS的编译器

Clang概述

Clang 是一个 C++ 编写、基于 LLVM、发布于 LLVM BSD 许可证下的 C/C++/Objective C/Objective C++ 编译器。

Clang 编译流程

通过命令可以打印源码的编译阶段
clang -ccc-print-phases 源文件路径

得到结果如下：

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

2. 预处理阶段：这个过程处理包括宏的替换，头文件的导入
   preprocessor, {0}, objective-c-cpp-output

3. 编译阶段：进行词法分析、语法分析、检测语法是否正确，最终生成IR
   compiler, {1}, ir

4. 后端：这里LLVM会通过一个一个的pass去优化，每个pass做一些事情，最终生成汇编代码
   backend, {2}, assembler

5. 汇编代码生成目标文件
   assembler, {3}, object

6. 链接：链接需要的动态库和静态库，生成可执行文件
   linker, {4}, image（镜像文件）

7. 绑定：通过不同的架构，生成对应的可执行文件
   bind-arch, "x86_64", {5}, image

预处理阶段

    这个阶段主要是处理包括宏的替换，头文件的导入，可以执行命令 clang -E 源文件路径，执行完毕可以看到头文件的导入和宏的替换。define则在预处理阶段会被替换，所以经常被是用来进行代码混淆，目的是为了 app 安全，实现逻辑是：将 app 中核心类、核心方法等用系统相似的名称进行取别名，然后在预处理阶段就被替换，来达到代码混淆的目的。

clang -E main.m

编译阶段

词法分析

预处理完成后就会进行词法分析，这里会把代码切成一个个 token，比如大小括号、等于号、还有字符串等，

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

语法分析

语法分析，它的任务是验证语法是否正确，在词法分析的基础上将单词序列组合成各类此法短语，如程序、语句、表达式 等等，然后将所有节点组成抽象语法树（Abstract Syntax Tree AST），语法分析程序判断程序在结构上是否正确。

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

• FunctionDecl 函数
• ParmVarDecl 参数
• CallExpr 调用一个函数
• BinaryOperator 运算符

生成中间代码IR

完成以上步骤后，就开始生成中间代码 IR 了，代码生成器（Code Generation）会将语法树自顶向下遍历逐步翻译成 LLVM IR,可以通过下面命令可以生成 .ll 的文本文件，查看 IR 代码。

clang -S -fobjc-arc -emit-llvm 源文件路径 -o 输出文件路径

Objective-C 代码在这一步会进行 runtime 桥接，property 合成、ARC 处理等。

IR 基本语法

• @ 全局标识
• % 局部标识
• alloca 开辟空间
• align 内存对齐
• i32 32bit，4个字节
• store 写入内存
• load 读取数据
• call 调用函数
• ret 返回

Optimization Level

当然，IR 文件在 Objective-C 中是可以进行优化的，一般设置是在 target - Build Setting - Optimization Level（优化器等级）中设置。

Optimization Level 优化级别
LLVM 的优化级别分别是 -O0、 -O1 -O2 -O3 -Os，下面是带优化的生成中间代码 IR 的命令

clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm 源文件路径 -o 输出文件路径

BitCode

xcode7 以后开启 bitcode ，苹果会做进一步优化，生成 .bc 的中间代码，我们通过优化后的 IR 代码生成 .bc代码

clang -emit-llvm -c .ll源文件 -o .bc文件

后端

LLVM 在后端主要是会通过一个个的 Pass 去优化，每个 Pass 做一些事情，最终生成汇编代码。我们通过最终的 .bc 或者 .ll 代码生成汇编代码:

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

生成汇编代码也可以进行优化

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

生成目标文件

目标文件的生成，是汇编器以汇编代码作为插入，将汇编代码转换为机器代码，最后输出目标文件（object file）

clang -fmodules -c .s 文件 -o .o 文件

可以通过 nm 命令，查看下 main.o 中的符号

xcrun nm -nm .o 文件

• undefined 表示在当前文件暂时找不到符号

• external 表示这个符号是外部可以访问的

链接

链接主要是链接需要的动态库和静态库，生成可执行文件，其中静态库会和可执行文件合并，动态库是独立的。连接器把编译生成的 .o 文件和 .dyld、.a 文件链接，生成一个 mach-o 文件

clang .o 文件 -o 输出文件

LLVM 工程编译

下载源码

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

安装 cmake

brew install cmake

通过 xcode 编译 LLVM

• cmake 编译成 Xcode 项目

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

• 打开 build_xcode/LLVM.xcodeproj 文件

• 选择 Automatically Create Schemes (目前 xcode version 13.2.1)

• 选择 ALL_BUILD Secheme 进行编译

通过 ninja 编译 LLVM

• 安装 ninja

  brew install ninja
  

• 在 llvm-project 目录下创建文件夹 build_ninja 、 llvm-release

  cd llvm-project
  mkdir build_ninja
  mkdir llvm_release
  

• cmake 编译

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

• ninja 运行

   ninja install