iOS-底层探索28：LLVM入门

iOS 底层探索 文章汇总

目录

• 一、LLVM概述
• 二、编译流程

一、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(ink-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。

传统编译器设计

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)。

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。优化器接收和输出均是IR。

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。

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。

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++、 Objecte-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。

二、编译流程

0、通过命令打印源码编译的各个阶段

clang -ccc-print-phases main.m

0: input, "main.m", objective-c
1: preprocessor, {0}, objective-c-cpp-output
2: compiler, {1}, ir
3: backend, {2}, assembler
4: assembler, {3}, object
5: linker, {4}, image
6: bind-arch, "x86_64", {5}, image

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，最终生成汇编代码。
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、预处理阶段

1.1、define

main.m中的代码如下：

#import 
#define C 30

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        int a = 10;
        int b = 10;
        printf("%d",a + b + C);
    }
    return 0;
}

执行如下命令

clang -E main.m >> main2.m

执行完毕可以看到头文件的导入和宏的替换

main2.m

1.2、typedef

#import 
#define C 30

typedef int CJ_INT_64;

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {  
        CJ_INT_64 a = 10;
        CJ_INT_64 b = 10;
        printf("%d",a + b + C);
    }
    return 0;
}

预处理

typedef int CJ_INT_64;

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        CJ_INT_64 a = 10;
        CJ_INT_64 b = 10;
        printf("%d",a + b + 30);
    }
    return 0;
}

define用于给数据取别名(宏)，预处理阶段会被替换；typedef用于给类型取别名，预处理阶段不会被替换。
define使用例子：由于会在预处理阶段被替换，因此可用来给敏感的数据、方法、类名取别名，代码混淆，方法加盐等。eg：#define isVIP isxxxVxxxIxxxP

2、编译阶段

2.1、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。

clang - fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m

2.2、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。

clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m

如果导入头文件找不到（比如导入Foundation.h或者UIKit.h），那么可以指定SDK

clang -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/
iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator12.2.sdk(自己S
DK路径) -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m

2.3、生成中间代码IR(intermediate representation )

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。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

IR的优化

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)

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

3、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.s

4、生成目标文件(汇编器)

目标文件的生成，是汇编器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. 0
(undefined) external_ _printf
000000000000000 (__ TEXT,_ text) external_test
00000000000000a (__ TEXT,_ text) external_main

_printf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。

5、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mach-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)
0000000000000 (_ TEXT,_ text) [referenced dynamically] external_mh_execute_header
000000100000f6d (__ TEXT,_ text) external_ test
000000100000f77 (__ TEXT,_ text) external_ main