1. LLVM概念
1.1 编译器
LLVM
与编译器息息相关,究竟什么是编译器呢?带着疑问往下看吧。
编译器就是将一种语言
(通常为高级语言
)翻译为另一种语言
(通常为低级语言
的程序。一个现代编译器的主要工作流程:源代码(source code)
→ 预处理器(preprocessor)
→ 编译器(compiler)
→ 目标代码(object code)
→ 链接器(Linker)
→ 可执行程序(executables)
源代码一般为高级语言
(High-level language
), 如C
、C++
、Java
、Objective-C
等或汇编语言
,而目标则是机器语言的目标代码
(Object copy
),有时也称作机器代码
(Machine code
)。
-
解释型语言
引入一个Python
代码,见下图:
创建一个FirstDemo.py
文件,里面只有一行代码,print('Hello world for first time')
。通过解释器指令python
,解释这段代码:
通过上面的流程可以发现解释型语言
的运行流程:
解释型语言特点:边解释,边执行,运行速度慢,部分改动无需整体重新编译,不可脱离解释器环境运行
。 -
编译型语言
引入一个C
代码,见下图:
创建一个firstDemoForC.c
文件,里面添加了一个main
函数。首先通过clang
去读取这个代码:
读取之后发现代码并没有立刻执行,而是生成了一个a.out
文件。这个文件就是可执行文件
。通过./a.out
执行这段代码:
通过上面的流程可以发现编译型语言
的运行流程:
编译型语言特点:先整体编译,再执行,运行速度快,任意改动需重新编译,可脱离编译环境运行。
注意:编译型语言
编译是先将代码编译成cpu
可读的懂的二进制
才能执行
1.2 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。
目前LLVM
已经被Apple
、Microsoft
、Google
、Facebook
等各大公司采用。
1.2.1 传统编译器的设计
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
,LLVM
的前端会生成中间代码IR
。优化器(
Optimizer
)
优化器负责进行各种优化。改善运行时间,例如消除冗余计算等。后端(
Backend
)
也可以叫代码生成器
(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
。
补充:随着高级语言越来越多,终端类型种类的增加,所使用的的CPU
架构等也不尽相同,所以为了适配多种环境,不得不设计不同的编译器,而这些编译器前端
和后端
往往是捆绑在一起的。
1.2.2 LLVM
的设计思路
LLVM
的设计之初,即将编译器前端
(Frontend
)和后端
(Backend
)进行了分离
。将前端和后端针对不同的架构,按照独立的项目进行研发,而它们均采用通用的代码形式IR
。
当编译器决定支持多种语言或多种硬件架构时,
LLVM
最重要的地方就体现出来了,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。
1.2.3 iOS
编译架构
Objective C/C/C++
使用的编译器前端是Clang
,Swift
是Swift
,后端都是LLVM
。
1.3 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,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。
2. 编译流程详解
通过命令可以打印源码的编译阶段。引入下面一个案例,main.m
中添加代码:
int main(int argc, const char * argv[]) {
return 0;
}
通过指令clang -ccc-print-phases main.m
,查看编译流程:
流程说明:
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
(节点
)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
,生成对应的可行文件
2.1 预处理
执行如下指令:clang -E main.m
,对源代码进行预处理
。见下面流程:
在预处理之后,输出
mainE.m
文件,查看mainE.m
文件:
打开
mainE.m
源文件会发现,其进行了宏的替换
,如上面案例中宏c
直接替换成了30
;进行头文件的导入。
2.2 编译阶段
2.2.1 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
以及字符串
等。词法分析指令为:
clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m
参考下面的案例:
通过指令的输出可以看到,语法分析会将源码进行
切割并检测
。比如分号
,逗号
,int
等。
2.2.2 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
。语法分析指令:
clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m
参考下面的案例:
通过上面的输出可以发现,其是一个树结构,比如下面的
FunctionDecl
,表示一个方法,在源码的第五行,名称为main
,返回值为int
,传入两个参数一个是int
,一个是const char **
。见下图:
注意:一旦生成抽象语法树,如果源码中存在语法错误,就会报错,而上面的预处理和词法分析不会报错。
如在源码中设置一个语法错误,通过语法分析指令进行进行编译,就会报错,见下面案例:
2.2.3 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
。通过下面指令可以生成.ll
的文本文件,查看IR
代码。
clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m
通过上面的指令获取main.ll
文件,其结构见下图:
-
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
优化
上面生成的IR
代码是没有经过优化
的,其实我们在平时阅读代码时,经常会看下面的一些定义:
#define fastpath(x) (__builtin_expect(bool(x), 1))
#define slowpath(x) (__builtin_expect(bool(x), 0))
-
fastpath
:可以理解为快速流程
,对更有可能执行的流程进行优化
,提高运行速度;
slowpath
:基本流程,不被优化的。
在XCode
中也有相应的优化设置入口:
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
)。可以通过下面的指令获取优化后的IR
代码,也就是.ll文件:
clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o main.ll
通过以上指令生成优化后IR
代码如下:
好明显,相较于优化前,代码精简了很多。
这里需要注意的是,通常debug
模式下,优化模式选择None -O0
,也就是不优化,避免一些保留代码被屏蔽
,从而影响调试
。而release
模式设置为Fastest,Smallest -Os
。
-
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。对应指令为:
clang -emit-llvm -c main.ll -o main.bc
2.3 后端生成汇编代码
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
采用相同的案例,分别三种方式生成汇编代码,可以看到其优化效果。在进行IR
优化后生成的.ll
文件,依然可以进行优化生成回应的汇编代码。在不同的节点上都可以进行优化。见下图:
2.4 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
)。指令为:
clang -fmodules -c main.s -o main.o
生成目标文件,见下图:
其中
main.o
文件即为目标文件
,但是此时生成的目标文件是不可执行
的。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 _test
000000000000000a (__TEXT,__text) external _main
-
_printf
是一个undefifined external
的 -
undefifined
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
此时就需要链接
,链接器
把编译生成的.o
文件和(.dylib .a
)文件链接生成一个mach-o
文件。
clang main.o -o main
生成对应的可执行文件,见下图:
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
000000100000f6d (__TEXT,__text) external _test
000000100000f77 (__TEXT,__text) external _main
可以发现此时的外部函数有2
个,_printf
和dyld_stub_binder
,它们都来自libSystem
库。dyld_stub_binder
这个函数的作用是进行运行时绑定流程
。
链接是在编译时,用来确定外部函数来自哪个动态库;绑定是在运行时,将对应方法的实现地址与符号进行绑定。
可执行文件运行结果: