iOS之武功秘籍⑯: LLVM编译流程

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写在前面

本文主要是理解LLVM的编译流程

本节可能用到的秘籍Demo

一、什么是编译器？

① Python案例

创建Python文件夹，新建helloDemo.py文件，内容 print("hello\n")
调用python helloDemo.py执行文件，打印出hello

② C 案例

vim创建helloDemo.c文件

clang helloDemo.c编译，生成a.out文件.

file a.out查看文件,发现.out文件是：64位的Mach-O可执行文件，当前clang出来的是x86_64架构，mac电脑可读. 所以可以./a.out直接执行：

③ 相关疑问

③.1 解释型语言与编译型语言

编译型语言：编译后输出的是指令（0、1组合），cpu可直接执行指令
- C语言是编译型语言，不能直接执行，需要编译器将其转换成机器识别语言
解释性语言：生成的是数据，不是0、1组合，机器也能直接识别
- python是解释型语言，一边翻译一边执行.和js一样，机器可直接执行.

编译器的作用，就是将高级语言转化为机器能够识别的语言(可执行文件)

③.2 汇编有指令吗？

早期科学家，使用0、1编码. 比如 00001111 对应 call， 00000111 对应bl.有了对应关系后. 再手敲0和1就有点难受了.于是写个中间解释器，我们只用输入call、bl这样的标记指令，经过解释器，变成0和1的组合，再交给机器去执行.这就是汇编的由来.
而基于汇编往上，再映射和封装相关对应关系.就跨时代性的c语言，再往上层封装，就出现了高级语言oc、swift等语言.所以汇编执行快，因为它是直接转换为机器语言.
但汇编的指令集，是针对同一操作系统而言，它不支持跨平台.机器指令是cpu的在识别.早期的计算机厂家非常多，虽然都用0和1的组合，但相同组合背后却是相应不同的指令.所以汇编无法跨平台，不同操作系统下，汇编指令是不同的.

二、LLVM概述

LLVM是架构编译器（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，并兼任已有脚本.
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Apple 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、Google等各大公司采用.

三、传统编译器的设计

源码 Source Code + 前端 Frontend + 优化器 Optimizer + 后端 Backend（代码生成器 CodeGenerator）+ 机器码 Machine Code，如下图所示

编译器前端(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，生成机器代语言，并且进行机器代码相关的代码优化

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.

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，如下所示

通俗的一句话理解就是：LLVM的设计是前后端分离的，无论前端还是后端发生变化，都不会影响另一个

Clang简介

Clang是LLVM项目中的一个子项目，它是基于LLVM架构图的轻量级编译器，诞生之初是为了替代GCC，提供更快的编译速度，它是负责C、C++、OC语言的编译器，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

四、LLVM编译流程

新建一个Mac OS的命令行工程:

没有改动代码

① 打印源码的编译阶段

cd到main.m的文件夹.使用clang -ccc-print-phases main.m命令查看main.m的编译步骤：

编译流程分为以下7步：

0: input, "main.m", objective-c：
- 输入文件：找到源文件
1: preprocessor, {0}, objective-c-cpp-output：
- 预处理：宏的展开，头文件的导入
2: compiler, {1}, ir：
- 编译：词法、语法、语义分析，最终生成IR
3: backend, {2}, assembler ()：
- 汇编： LLVM通过一个个的Pass去优化，每个Pass做一些事，最后生成汇编代码
4: assembler, {3}, object：
- 目标文件
5: linker, {4}, image：
- 链接：链接需要的动态库和静态库，生成可执行文件
6: bind-arch, "x86_64", {5}, image：
- 架构可执行文件：通过不同架构，生成对应的可执行文件

optimizer优化并没有作为一个独立阶段，在编译阶段内部完成的

② 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，可以执行如下命令，执行完毕可以看到头文件的导入和宏的替换

main.m文件中准备测试代码:

clang预编译输出main2.m文件：通过指令clang -E main.m >> main2.m
打开main2.m文件其中大部分是stdio库的代码：

我们发现测试代码中的宏C，在预编译阶段完成了替换，变成了30
修改测试代码，给int类型取个别名CJ_INT_64，再次预编译处理：

发现typedef不会被替换

小结:

typedef在给数据类型取别名时，在预处理阶段不会被替换掉
define则在预处理阶段会被替换，所以经常被用来进行代码混淆，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了，来达到代码混淆的目的

③ 编译阶段

编译阶段主要是进行词法、语法等的分析和检查，然后生成中间代码IR

③.1 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,而且还标注了位置是第几行的第几个字符开始的.

可以通过clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m命令查看

③.2 语法分析

词法分析完成后就是语法分析，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），语法分析程序判断源程序在结构上是否正确.

可以通过clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m命令查看语法分析的结果

其中，主要说明几个关键字的含义

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

④ 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.

便于理解，我们简化代码：

通过clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m命令可以生成.ll的文本文件，查看IR代码.OC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

下面是生成的中间代码.ll文件

其中，test函数的参数解释为

图中为何多创建那么多局部变量？（如test函数内的a5、a6)
因为在上一阶段（编译阶段），我们将代码编译成了语法树结构.而此时，我们只是沿着语法树进行读取.语法树每一个层级，都需要一个临时变量来承接.再返回上一层级处理.所以会产生那么多局部变量

当然，IR文件在OC中是可以进行优化的，一般Xcode中设置是在target - Build Setting - Optimization Level（优化器等级）中设置.(Debug模式默认None [O0]无优化，Release模式默认Fastest,Smallest [Os]最快最小)

LLVM的优化级别分别是-O0 -O1 -O2 -O3 -Os(第一个是大写英文字母O)，下面是带优化的生成中间代码IR的命令

clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o main.ll

这是优化后的中间代码

优化后的代码，舒服多了.之前那些冗余的临时局部变量，也都被优化，代码量减少很多.

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.
- 优化指令clang -emit-llvm -c main.ll -o main.bc

⑤ 生成汇编代码

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

完成中间代码的生成后，可以将代码转变为汇编代码了
此刻我们有4种不同程度的代码（源代码->无优化IR代码->Os优化IR代码 -> bitcode优化代码）

分别对4种程度的代码输出汇编文件：

clang -S -fobjc-arc main.m -o main.s
clang -S -fobjc-arc main.ll -o mainO0.s
clang -S -fobjc-arc mainOs.ll -o mainOs.s
clang -S -fobjc-arc main.bc -o mainbc.s

可以看到在生成汇编代码时，只有选择了优化等级，才能减少汇编代码量.

生成汇编代码也可以进行优化---即在生成中间代码的前后，都可以进行优化
- ① 将main.m直接选择Os级别优化生成.s汇编文件--clang -Os -S -fobjc-arc main.m -o mainOs.s
- ② 将main.m生成无优化的mainO0.ll，再mainO0.ll选择Os级别优化生成.s汇编文件 -- clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o mainO0.ll,clang -Os -S -fobjc-arc mainO0.ll -o mainO0Os.s
- ③ 将main.m选择Os级别优化生成mainOs.ll，再mainOs.ll选择无优化级别生成.s汇编文件 -- clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o mainOs.ll,clang -S -fobjc-arc mainOs.ll -o mainOsO0.s
- ④ 将main.m选择Os级别优化生成mainOs.ll，再mainOs.ll选择Os级别优化生成.s汇编文件 -- clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o mainOs.ll,clang -Os -S -fobjc-arc mainOs.ll -o mainOsOs.s

⑥ 生成目标文件（机器代码）

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 main.s -o main.o

此时我们file对比一下main.s汇编代码和main.o机器代码.

可以通过nm命令，查看下main.o中的符号 -- xcrun nm -nm main.o
- _printf函数是一个是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

所以当前虽转换成了机器代码.但是只是目标文件，并不能直接执行，需要将所有资源链接起来，才可以执行.

⑦ 生成可执行文件（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,接着输入以下指令

clang main.o -o main // 将目标文件转成可执行文件
file main            // 查看文件
xcrun nm -nm main    // 查看main的符号

结果如下所示，其中的undefined表示会在运行时进行动态绑定

对比main.o目标文件，此时生成的main文件：

从object文件变成了executable可执行文件
虽然都有undefined，但是可执行文件中指定了该符号的来源库.机器在运行时，会从相应的库中取读取该符号(printf)

⑧ 绑定

绑定主要是通过不同的架构，生成对应的mach-o格式可执行文件

至此，我们已完整分析了:从源代码到可执行文件的整个流程.

写在后面

和谐学习,不急不躁.我还是我,颜色不一样的烟火.