一、LLVM
1.1 LLVM概述
LLVM是构架编译器(compiler)的框架系统,以C++编写而成,用于优化以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),对开发者保持开放,并兼容已有脚本.LLVM计划启动于2000年,最初由美国UIUC大学的Chris Lattner博士主持开展.2006年Chris Lattner加盟App Inc.并致力于LLVM在Apple开发体系中的应用.Apple也是LLVM计划的主要资助者.目前LLVM已经被苹果iOS开发工具、Xilinx Vivado、Facebook、Goole等各大公司采用
1.1.1 传统编译器设计
1.1.1.1 编译器前端(Frontend)
编译器前端的任务是解析源代码.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,IR)
1.1.1.2 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
1.1.1.3 后端(Backend)/代码生成器(CodeGenerator)
将代码映射到目标指令集.生成机器语言,并且进行机器相关的代码优化
1.1.2 iOS的编译器架构
Objective C / C / C++使用的编译器前端是Clang, Swift是Swift, 后端都是LLVM
1.2 LLVM的设计
当编译器决定支持多种源语言或多种硬件架构时,LLVM最重要的地方就来了,其他的编译器如GCC, 它方法非常成功,但由于它是作为整体应用程序设计的,因此它们的用途受到了很大的限制.
LLVM设计的最重要方面是,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.所以LLVM可以为任何编程语言独立编写前端,并且可以为任意硬件架构独立编写后端.
1.2.1 Clang
Clang是LLVM项目中的一个子项目. 它是基于LLVM架构的轻量级编译器,诞生之初是为了替代GCC,提供更快的编译速度. 它是负责编译C、C++、Objective-C语言的编译器,它属于整个LLVM架构中的,编译器前端.对于开发者来说,研究Clang可以给我们带来很多好处.
1.2.1.1 编译流程
通过命令可以打印源码的编译阶段
-
- 0: 输入文件: 找到源文件
- 1: 预处理阶段: 这个过程处理包括宏的替换,头文件的导入.
- 2: 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
- 3: 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,最终生成汇编文件.
- 4: 生成目标文件.
- 5: 链接: 链接需要的动态库和静态库,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.
1.2.1.2 简单案例看流程
创建一个main.m文件,编写一些代码
#include <stdio.h>
#define MainDefine 12345
int sum(int a, int b) {
return a + b;
}
int main(int argc, char * argv[]) {
int a = sum(MainDefine, 54321);
printf("output: %d\n",a);
return 0;
}那么在执行这段代码时,它的编译流程具体是如何体现呢?
1.2.1.2.1 预处理阶段
执行如下命令,查看这段代码的过程
clang -E main.m > ./mainE.m && open mainE.m-
- > ./mainE.m 表示在当前目录下输出结果形成为 mainE.m 文件
- && 表示后续拼接命令
- open mainE.m 表示打开mainE.m文件
- 执行命令后,打开文件,在最底部可以看到预处理阶段: 头文件的导入和宏的替换
1.2.1.2.2 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,等号还有字符串等.
clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m
- 语法分析
- 词法分析完成之后就是语法分析,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语法短语,如“程序”,“语句”,“表示式”等等, 然后将所有节点组成抽象语法树(Abstract Syntax Tree,AST).语法分析程序判断源程序在结构上是否正确.
clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m-
- 分析结果如下显示:
-
- 如果导入头文件找不到(比如: fatal error: 'UIKit/UIKit.h' file not found),那么可以指定SDK路径
clang -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator16.2.sdk -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m1.2.1.2.3 生成中间代码IR(Intermediate Representation)
完成以上步骤后就可以开始生成中间代码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.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 main.m-
- Objective C代码在这一步会进行Runtime的桥接: property合成, ARC处理等.
- IR的基本语法
@ 全局标识
% 局部标识
alloca 开辟空间
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-
- 生成的IR中间代码部分如下
....
; Function Attrs: noinline optnone ssp uwtable
define i32 @main(i32 %0, i8** %1) #1 {
%3 = alloca i32, align 4
%4 = alloca i32, align 4
%5 = alloca i8**, align 8
%6 = alloca i32, align 4
store i32 0, i32* %3, align 4
store i32 %0, i32* %4, align 4
store i8** %1, i8*** %5, align 8
%7 = call i32 @sum(i32 12345, i32 54321)
store i32 %7, i32* %6, align 4
%8 = load i32, i32* %6, align 4
%9 = call i32 (i8*, ...) @printf(i8* getelementptr inbounds ([12 x i8], [12 x i8]* @.str, i64 0, i64 0), i32 %8)
ret i32 0
}
......-
- IR的优化
- LLVM的优化级别分别是 -O0 -O1 -O2 -O3 -Os
clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o main.ll && open main.ll- BitCode
- Xcode7 以后开启Bitcode,苹果会做进一步的优化. 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 main.ll -o main.bc1.2.1.2.4 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 main.bc -o main.s
clang -S -fobjc-arc main.ll -o main.s生成汇编代码也可以进行优化
clang -Os -S -fobjc-arc main.m -o main.s1.2.1.2.5 生成目标文件(汇编器)
目标文件的生成,是汇编起以汇编代码作为输入,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 main.s -o main.o- 通过nm命令,查看下 main.o中的符号
xcrun nm -nm main.o
(undefined) external _printf
0000000000000000 (__TEXT,__text) external _sum
0000000000000009 (__TEXT,__text) external _main-
- _printf 是一个 undefined external的
- undefined 表示在当前文件暂时找不到符号 _printf
- external 表示这个符号是外部可以访问的
1.2.1.2.6 生成可执行文件(链接)
链接器把编译产生的 .o文件和(.dylib, .a)文件,生成一个 Mac-O文件
clang main.o -o main查看链接之后的符号
xcrun nm -nm main
(undefined) external _printf (from libSystem)
(undefined) external dyld_stub_binder (from libSystem)
0000000100000000 (__TEXT,__text) [referenced dynamically] external __mh_execute_header
0000000100003f66 (__TEXT,__text) external _sum
0000000100003f6f (__TEXT,__text) external _main
0000000100008008 (__DATA,__data) non-external __dyld_private
