编译原理实验三
问题1: cpp与.ll的对应
请描述你的cpp代码片段和.ll的每个BasicBlock的对应关系。描述中请附上两者代码。
assign
对应的.ll代码如下:
define i32 @main() #0 {
%1 = alloca [10 x i32] ;int a[10]
%2 = getelementptr inbounds [10 x i32], [10 x i32]* %1, i32 0, i32 0 ;a[0] addr
%3 = getelementptr inbounds [10 x i32], [10 x i32]* %1, i32 0, i32 1 ;a[1] addr
store i32 10, i32* %2 ;a[0] = 10
%4 = load i32, i32* %2 ;%4 = a[0]
%5 = mul i32 %4,2 ;%5 = a[0]*2
store i32 %5, i32* %3 ;a[1] = %5 = a[0]*2
%6 = load i32, i32* %3 ;%6 = a[1]
ret i32 %6 ;return a[1]
}
这一段程序仅有一个函数,一个BasicBlock。仿照gcd_array.cpp的写法,创建Module和BasicBlock,将.ll中的指令使用IRBuilder插入到BasicBlock的指令链表当中。与.ll中指令的对应关系在以下的cpp代码片段的注释中说明。cpp 代码片段如下:
#include "BasicBlock.h"
#include "Constant.h"
#include "Function.h"
#include "IRBuilder.h"
#include "Module.h"
#include "Type.h"
#include <iostream>
#include <memory>
#ifdef DEBUG // 用于调试信息,大家可以在编译过程中通过" -DDEBUG"来开启这一选项
#define DEBUG_OUTPUT std::cout << __LINE__ << std::endl; // 输出行号的简单示例
#else
#define DEBUG_OUTPUT
#endif
#define CONST_INT(num) \
ConstantInt::get(num, module)
#define CONST_FP(num) \
ConstantFP::get(num, module) // 得到常数值的表示,方便后面多次用到
int main() {
auto module = new Module("Assign");
auto builder = new IRBuilder(nullptr, module); //使用IRBuilder创建指令
//创建函数与BasicBlock
Type *Int32Type = Type::get_int32_type(module);
auto mainTy = FunctionType::get(Int32Type, {}); //返回值为i32,参数为空
auto main = Function::create(mainTy, "main", module);
auto BB = BasicBlock::create(module, "BasicBlock1" , main);
builder->set_insert_point(BB); //设置插入指令的BasicBlock
//插入.ll中对应的指令
auto *arrayType = ArrayType::get(Int32Type, 10); //数组的类型为[10 x i32]
auto a = builder->create_alloca(arrayType); //分配数组
auto a0P = builder->create_gep(a, {CONST_INT(0), CONST_INT(0)}); //计算a[0]地址
auto a1P = builder->create_gep(a, {CONST_INT(0), CONST_INT(0)}); //计算a[1]地址
builder->create_store({CONST_INT(10)}, a0P); //a[0] = 10
auto a0 = builder->create_load(a0P); //取出a[0]
auto temp = builder->create_imul(a0, {CONST_INT(2)}); //a[0]*2
builder->create_store(temp, a1P); //a1 = a[0]*2
auto a1 = builder->create_load(a1P);
builder->create_ret(a1); //return a1 = a[0]*2
//指令创建结束
std::cout << module->print();
delete module;
return 0;
}
make之后运行程序进行验证,生成的指令和.ll中的指令相同。
fun
对应的.ll代码如下:
define i32 @callee(i32 %0) #0 {
%2 = mul i32 %0, 2 ;%2 = a*2
ret i32 %2
}
define i32 @main() #0 {
%1 = call i32 @callee(i32 110) ;%1 = callee(110)
ret i32 %1 ;return
}
共有两个函数,相应有两个BasicBlock,分别插入指令。与.ll中指令的对应关系在注释中说明,相应的cpp代码如下:
//头文件和宏定义省略
int main(){
auto module = new Module("fun");
auto builder = new IRBuilder(nullptr, module);
//创建callee函数
Type *Int32Type = Type::get_int32_type(module);
auto calleeTy = FunctionType::get(Int32Type, {Int32Type}); //返回值为i32,一个i32类型的参数
auto callee = Function::create(calleeTy, "callee", module);
auto BB = BasicBlock::create(module, "callee_BasicBlock" , callee);
builder->set_insert_point(BB);
//插入callee的BasicBlock中的指令
std::vector<Value *> args; //获取函数的形参,通过Function中的iterator
for (auto arg = callee->arg_begin(); arg != callee->arg_end(); arg++) {
args.push_back(*arg); //* 号运算符是从迭代器中取出迭代器当前指向的元素
}
auto mul = builder->create_imul(args[0], CONST_INT(2)); //mul = a*2
builder->create_ret(mul);
//创建main函数
auto mainTy = FunctionType::get(Int32Type, {});
auto main = Function::create(mainTy, "main", module);
auto BB1 = BasicBlock::create(module, "main_BasicBlock" , main);
builder->set_insert_point(BB1);
//插入main的BasicBlock中的指令
auto callret = builder->create_call(callee, {CONST_INT(110)}); //callret = callee(110)
builder->create_ret(callret); //return callret
//指令创建结束
std::cout << module->print();
delete module;
return 0;
}
运行程序,生成的指令和.ll中的指令相同。
if
对应的.ll代码如下:
define i32 @main() #0 {
%1 = alloca float ;%1 = float a addr
store float 0x40163851E0000000, float* %1
%2 = load float, float* %1 ;%2 = a
%3 = fcmp ugt float %2, 1.0 ;a>1
br i1 %3, label %4, label %5 ;if(a>1) goto 4 else goto 5
4:
ret i32 233
5:
ret i32 0
}
本段指令有3个BasicBlock,相比与前两个多了fcmp和br跳转指令。相应的.cpp文件如下:
//头文件和宏定义省略
int main(){
auto module = new Module("if");
auto builder = new IRBuilder(nullptr, module); //使用IRBuilder创建指令
//创建main函数
Type *Int32Type = Type::get_int32_type(module);
auto mainTy = FunctionType::get(Int32Type, {}); //返回值为i32,参数为空
auto main = Function::create(mainTy, "main", module);
auto BBEntry = BasicBlock::create(module, "entry" , main);
builder->set_insert_point(BBEntry);
//entryBasicBlock插入指令,对应.ll的BasicBlock0
Type *FloatType = Type::get_float_type(module); //浮点类型
auto aP = builder->create_alloca(FloatType); //为float a分配空间并返回指针
builder->create_store(CONST_FP(5.555),aP); //a = 5.555
auto a = builder->create_load(aP); //取出a
auto fcmp = builder->create_fcmp_gt(a, CONST_FP(1.0)); //fcmp = if a>1
//创建true, false对应的BasicBlock
auto BBTrue = BasicBlock::create(module, "true" , main);
auto BBFalse = BasicBlock::create(module, "false", main);
builder->create_cond_br(fcmp, BBTrue, BBFalse); //br跳转指令
//true和false对应的BasicBlock插入指令,对应.ll的BasicBlock4,5
builder->set_insert_point(BBTrue);
builder->create_ret(CONST_INT(233));
builder->set_insert_point(BBFalse);
builder->create_ret(CONST_INT(0));
//指令创建结束
std::cout << module->print();
delete module;
return 0;
}
运行程序验证:
while
对应的.ll代码如下:
define i32 @main() #0 {
%1 = alloca i32 ;%1 = a addr
%2 = alloca i32 ;%2 = i addr
store i32 0, i32* %2 ;i = 0
store i32 10, i32* %1 ;a = 10
br label %3
;if i<10
3:
%4 = load i32, i32* %2 ;%4 = i
%5 = icmp slt i32 %4, 10 ;i < 10?
br i1 %5, label %6, label %10
6:
%7 = add nsw i32 %4, 1 ;i + 1
store i32 %7, i32* %2 ;i = i + 1
%8 = load i32, i32* %1 ;%8 = a
%9 = add nsw i32 %7, %8 ;%9 = a + i
store i32 %9, i32* %1 ;a = a + i
br label %3
10:
ret i32 %9 ;return a
}
以上的.ll程序共有四个BasicBlock,逐个添加指令即可。.cpp中的BasicBlock与.ll的对应在注释中说明。.cpp的代码如下:
int main(){
auto module = new Module("while");
auto builder = new IRBuilder(nullptr, module); //使用IRBuilder创建指令
//创建main函数和4个BasicBlock
Type *Int32Type = Type::get_int32_type(module);
auto mainTy = FunctionType::get(Int32Type, {}); //返回值为i32,参数为空
auto main = Function::create(mainTy, "main", module);
auto BBEntry = BasicBlock::create(module, "entry" , main);
auto BBWhile = BasicBlock::create(module, "while" , main);
auto BBTrue = BasicBlock::create(module, "true" , main);
auto BBFalse = BasicBlock::create(module, "false" , main);
//entryBasicBlock插入指令,即.ll的BasicBlock0
builder->set_insert_point(BBEntry);
auto aP = builder->create_alloca(Int32Type); //分配a的空间,返回指针aP
auto iP = builder->create_alloca(Int32Type); //分配i的空间,返回指针iP
builder->create_store(CONST_INT(0), iP); //i = 0
builder->create_store(CONST_INT(10), aP); //a = 10
builder->create_br(BBWhile); //br跳转到while循环的判断BasicBlock
//whileBasicBlock插入指令,即.ll的BasicBlock3
builder->set_insert_point(BBWhile);
auto temp = builder->create_load(iP);
auto icmp = builder->create_icmp_lt(temp, CONST_INT(10));
builder->create_cond_br(icmp, BBTrue, BBFalse); //br跳转到True或False的BasicBlock
//TrueBasicBlock插入指令,即.ll的BasicBlock6
builder->set_insert_point(BBTrue);
auto newi = builder->create_iadd(temp, CONST_INT(1)); //i + 1
builder->create_store(newi, iP); //i = i + 1
auto a = builder->create_load(aP);
auto newa = builder->create_iadd(newi, a); //a + i
builder->create_store(newa, aP); //a = a + i
builder->create_br(BBWhile); //br跳转到while循环的判断BasicBlock
//FalseBasicBlock插入指令,即.ll的BasicBlock10
builder->set_insert_point(BBFalse);
builder->create_ret(newa); //return a
//指令创建结束
std::cout << module->print();
delete module;
return 0;
}
运行程序验证:
以上的.ll代码和.cpp编译运行后的.ll代码运行后均能产生正确的结果,与原.c程序的逻辑相同.
问题2: Visitor Pattern
请指出visitor.cpp中,treeVisitor.visit(exprRoot)
执行时,以下几个Node的遍历序列:numberA、numberB、exprC、exprD、exprE、numberF、exprRoot。
序列请按如下格式指明:
exprRoot->numberF->exprE->numberA->exprD
根据visitor.cpp中的内容,每个节点会返回自身的引用,visitor会进行访问该节点,计算该节点的值,计算的方式是访问其左右节点并获取值,然后根据节点的操作类型完成值的计算,然后返回。子节点的值的获取也是相同的,直到访问到数值节点,就直接返回相应的数值。可以看出访问的过程是自顶向下递归访问的过程。main函数中创建的计算树如下:
根据visit()函数中的实现,对于AddSubNode的访问,是先访问右子节点,然后访问左子节点,对于MulDivNode的访问,先访问左子节点,后访问右子节点。因此可以得出visitor.cpp中访问该树的序列为:
exprRoot->numberF->exprE->exprD->numberB->numberA->exprC->numberA->numberB
问题3: getelementptr
请给出IR.md
中提到的两种getelementptr用法的区别,并稍加解释:
%2 = getelementptr [10 x i32], [10 x i32]* %1, i32 0, i32 %0
%2 = getelementptr i32, i32* %1 i32 %0
第一种用法:
指针类型为[10 x i32]*,指向的数据类型为[10 x i32],因此首先用i32 0表示偏移为0,这表示直接取第一个[10 x i32]数组,然后的i32 %0表示在第一个[10 x i32]数组内,偏移%0的元素地址。
第二种用法:
指针类型为i32*,%1表示的是数组的起始地址,偏移量为%0,直接取出了数组偏移%0位置的元素地址。
区别:
在第一种用法中,指针类似于指针数组,首先确定在这个指针数组上的偏移,才能得到一个数组的指针,然后通过偏移找到元素的地址。而在第二种用法中,直接对数组的指针进行偏移,找到元素的地址。
当定义全局数组或结构体时,定义的是指针,例如在给出的gcd_array.c中声明的全局数组x,y,就是[1 x i32]*类型,因此取出元素时使用的是第一种用法。
//全局数组x[1]
@x = common dso_local global [1 x i32] zeroinitializer, align 4
//取出元素地址
getelementptr inbounds ([1 x i32], [1 x i32]* @x, i64 0, i64 0)
实验难点
1.编写.ll
在编写if.c对应的.ll时,提示error: floating point constant invalid for type,不能用浮点常量给浮点数赋值。经查询,这是因为浮点数5.55不能用浮点数精确表示,因此不能直接给浮点数赋值。如果是4.0等可以精确表示的数,就可以直接赋值。此处只能使用十六进制的浮点数机器表示进行赋值,为0x40163851E0000000。
编写while.c对应的.ll时注意到,编号顺序必须是连续的,除了if对应的块跳转语句可以出现不连续的编号,其他编号都必须是连续的。因此br语句中的跳转编号应该最后填写。
编写.ll后,与.c源文件产生的.ll文件进行了比较,clang产生的.ll文件中的指令更多,对于值进行了更多的存储和取出的操作,但是逻辑上是和自行编写的.ll指令是相同的。自行编写时,临时变量直接使用寄存器存储,还有一些寄存器值也重复使用,相当于对直接产生的.ll指令优化后的结果。
2.编写cpp
编写cpp时,由于对接口不熟悉,创建对应的指令有些困难,在经过阅读gcd_array.cpp中创建指令的部分和整体结构,仿照并逐个指令完成assign.cpp后,后三个cpp代码的编写才比较顺利。
创建比较指令时,指令名使用了lightIR中的ugt来表示小于,编译时提示不存在这条指令,从lightIR.h中找到,比较的指令使用的是下面的表示:
public:
enum CmpOp
{
EQ, // ==
NE, // !=
GT, // >
GE, // >=
LT, // <
LE // <=
};
因此修改相应的比较指令为以下形式:
auto fcmp = builder->create_fcmp_gt(a, CONST_FP(1.0));
auto icmp = builder->create_icmp_lt(temp, CONST_INT(10));
实验反馈
通过本次实验学习了llvm,LightIR相关知识。对于LightIR的接口,文档内容没有特别清晰,通过结合实例和.h文件中的内容才逐渐熟悉。编写.ll文件时,注意到了与clang编译代码的不同,自行编写可以在许多位置直接进行优化,而编译器可能第一步只能生成未优化的代码。对于自行编写的.ll指令,使用C++生成的过程也相对较为简洁。最后通过visitor.cpp了解了访问者模式,对于这种模式比较陌生,但是通过实例理解了其工作原理和访问过程。