LLVM IR / LLVM指令集入门
本文基于LLVM 12官方文档的
LLVM Language Reference Manual。以学习笔记为主。所以本文会摘录一些常见/常用的指令。对于一些更加深层次的指令属性/特性，待我对LLVM有更深的理解再单独写文章记录。
1. LLVM IR简介
LLVM IR可以理解为LLVM平台的汇编语言，所以官方也是以语言参考手册(Language Reference Manual)的形式给出LLVM IR的文档说明。既然是汇编语言，那么就和传统的CUP类似，有特定的汇编指令集。但是它又与传统的特定平台相关的指令集(x86, ARM, RISC-V等)不一样，它定位为平台无关的汇编语言。也就是说，LLVM IR是一种相对于CUP指令集高级，但是又是一种低级的代码中间表示（比抽象语法树等高级表示更加低级）。
1. 1 LLVM IR的基本特点为：
SSA。在指令集层面，以SSA的形式表示。指令集中存在Phi指令。类型安全。它在指令集层面，是有类型的，也就是说指令是需要有特定的类型作为约束的。低级操作。指令集相对比较底层。灵活。能够很利索地表示“所有”的高级语言。也叫Universal IR。- 它是
LLVM编译各个阶段通用的IR。
1.2 LLVM IR的表示形式：
存在形式内存。基于LLVM开发需要用到许多的类。include "llvm/IR/XX"磁盘(二进制)。一般以.bc的形式存在。方便JIT编译器快速加载。磁盘(文本)。可读的汇编语言表示，一般以.ll的形式存在，本文研究的就是这种形式的LLVM IR
特点- 轻量
- 低级
- 富有表达性
- 有类型的。利于指针分析
- 可扩展性的
良好的格式- LLVM提供了验证格式正确性的Verification Pass。它不仅仅是语法上的格式验证，还从语义上进行验证。比如说
%x = add i32 1, %x在语法上符合，但是它并不是SSA形式的，所以会验证格式错误
- LLVM提供了验证格式正确性的Verification Pass。它不仅仅是语法上的格式验证，还从语义上进行验证。比如说
1.3 LLVM IR中的标识符(Identifier)
LLVM IR中有两种标识符类型：
全局标识。以@开头的- 函数
- 全局变量
局部标识。以%开头- 寄存器名
- 类型名
LLVM IR中有3种标识符格式：
-
有名字的值(Named Values)- 格式：[%@][-azA-Z . ] [ − a − z A − Z ._][-a-zA-Z .][−a−zA−Z._0-9]*
- 例如
- %foo
- @DivisionByZero
- %a.really.long.identifier
-
无名字的值(Unnamed Values)- 格式：用无符号数值作为它们的前缀
- 例如
- %12
- @2
- %44
-
常量(后文再讲)
2. LLVM整体结构
官方文档罗列得非常多，这里暂时只列出几个我觉得比较重要的。
2.1 Module
LLVM程序是由若干个Module组成。而Module中由如下三个部分组成：
函数全局变量符号表项
其中函数/全局变量都可以认为是全局值(即全局函数和全局变量);
而全局值能够用一个指向内存位置的指针标识。其中
- 全局变量通过指向char数组的指针标识。
- 函数通过指向函数的指针标识。
全局值都有链接类型。链接，即它们可能会结合LLVM Linker，合并每个Module的函数/全局变量定义。并resolve前向声明，合并符号表项。
2.2 链接类型
全局值（全局变量/函数）会有一种如下的链接类型(这里只简单了解2中类型)：
private- 只能在当前module被访问
链接private全局值到另外一个模块中，可能会导致此private对象被重命名以防止名字冲突
- 只能在当前module被访问
internal- 类似private，全局值在object file中被当成一个local符号
- 与C语言中的static关键字相关
- available_externally
- linkonce
- weak
- common
- appending
- extern_weak
- linkonce_odr,
- weak_odr
- external
- extern_weak
2.2 调用惯例
LLVM支持如下几种调用模式。(这里只简单了解，后续深入再添加)
ccc
The C calling convention
支持变长参数的函数调用，容忍一些函数声明和实现的不匹配(C里面也是这样)fastcccoldcccc 10cc 11webkit_jsccanyregccpreserve_mostccpreserve_allcccxx_fast_tlsccswiftcctailcccfguard_checkcccc更多可能会在未来添加
…
3.类型系统
类型系统是LLVM IR中最重要的特性之一。它带来好处：
有类型让许多优化能够直接在IR上进行（一般的三地址码不行，它没类型）强类型使得LLVM IR更加可读
3.1 Void类型
void就是通常编程语言中的void，空。
3.2 Function类型
函数类型，它的表示成：
()
例如：
i32 (i32): 它表示的函数为：i32类型作为函数入参，i32类型作为函数返回值float (i16, i32 *) *: 它表示指向函数的指针，此函数以i16,i32指针类型作为入参类型，float作为返回值类型。i32 (i8*, ...): 变长参数的函数，固定长度的入参为i8类型，返回值为i32类型{i32, i32} (i32): i32,i32为结构体的前两个字段类型，此结构体类型作为函数的返回值类型，函数入参为i32类型。
3.3 First Class类型
First Class表示一大类的类型。包括：
Single ValueLabelTokenMetadataAggregate
3.3.1 Single Value Type
Integer(整数)- 表示为: iN, 其中N正整数，如i8，i32
Float-Point(浮点)- half
- bfloat
- float
- double
- fp128
- x86_fp80
- ppc_fp128
x86_mmxPointer(指针类型)- 表示形式为:
*
- 表示形式为:
Vector(向量)Fiexed-length vector(定长向量):< <# elements> x> Scalable vector(变长向量):< vscale x <# elements> x>
LabelTokenMetadataAggregate(聚合类型)Array(数组):- 表示： [<# elements> x ]
Structure(结构体)- Identified normal struct type
%T1 = type { \} { i32, i32, i32}: 4字节三元组{ float, i32 (i32) * }: 第一个元素float，第二个元素函数指针，函数为4字节入参，返回4字节类型
- Identified packed struct type
%T2 = type <{ \}> <{ i8, i32 }>: 只知道5字节大小
- Identified normal struct type
Opaque Structure- 没有结构体，类似C中的结构体类型前向声明
- %X = type opaque
- %52 = type opaque
- 没有结构体，类似C中的结构体类型前向声明
4. 常量
- 简单常量
- 布尔常量：i1类型，’true’ 或者 ’false’
- 整数常量: 4
- 浮点常量: 123.421, 1.23421e+2,
- Null指针常量: ‘null’
- Token常量: ‘none’等
- 复杂常量
- 结构体常量：{ i32 4, float 17.0, i32* @G }
- 数组常量：[ i32 42, i32 11, i32 74 ]
- 向量常量：< i32 42, i32 11, i32 74, i32 100 >
- Zero初始化：'zeroinitializer’能够用来初始化任何类型为零值
- Metadata node：!{!0, !{!2, !0}, !“test”}， !{!0, i32 0, i8* @global, i64 (i64)* @function, !“str”}
- 全局变量和函数的地址
- 全局变量和函数的地址隐式地为链接时常量
- 这些常量当它们的标识被使用时，会被显示地引用，并且是指针类型
- Undefined值
- Poison值
- Well-Defined值
- 基本块的地址
- DSO Local Equivalent
- 常量表达式
5. 指令集
指令集分为如下几大类，这里会挑一些指令列举，随着后续对指令更加深入，再对指令的具体内容进行补充。
- 终止指令
- 单目运算
- 二元运算
- 二元位运算
- 向量操作
- 聚合操作
- 访问/操作内存
- 强转操作
- 其它操作
5.1 终止指令
-
ret- ret
- ret void
- value必须是first-class类型
- 例子
- ret i32 5 ; Return an integer value of 5
- ret void ; Return from a void function
- ret { i32, i8 } { i32 4, i8 2 } ; Return a struct of values 4 and 2
- ret
-
br- br i1 , label , label
- br label ; Unconditional branch
- 例子
Test: %cond = icmp eq i32 %a, %b br i1 %cond, label %IfEqual, label %IfUnequal IfEqual: ret i32 1 IfUnequal: ret i32 0
-
switch- switch , label [ , label … ]
- 例子
; Emulate a conditional br instruction %Val = zext i1 %value to i32 switch i32 %Val, label %truedest [ i32 0, label %falsedest ] ; Emulate an unconditional br instruction switch i32 0, label %dest [ ] ; Implement a jump table: switch i32 %val, label %otherwise [ i32 0, label %onzero i32 1, label %onone i32 2, label %ontwo ]
-
indirectbr- indirectbr
* , [ label , label , … ]
- indirectbr
-
invoke= invoke [cconv] [ret attrs] [addrspace( )] | ( ) [fn attrs]
[operand bundles] to labelunwind label - 说明
- normal label对应于ret
- exception label对应于resume或者其它异常处理机制
- 这个指令对高级语言的catch实现很重要
- 例子
%retval = invoke i32 @Test(i32 15) to label %Continue unwind label %TestCleanup ; i32:retval set %retval = invoke coldcc i32 %Testfnptr(i32 15) to label %Continue unwind label %TestCleanup ; i32:retval set`
-
callbr= callbr [cconv] [ret attrs] [addrspace( )] | ( ) [fn attrs] [operand bundles] to label [indirect labels]
-
resume- resume
- resume
-
catchswitch= catchswitch within [ label , label , … ] unwind to caller = catchswitch within [ label , label , … ] unwind label
-
catchret- catchret from
to label
- catchret from
-
cleanupret- cleanupret from
unwind label - cleanupret from
unwind to caller
- cleanupret from
-
unreachable
5.2 单目运算
fneg= fneg [fast-math flags]* ; yields ty:result - 浮点数或者浮点向量的负
5.3 二元运算
-
add= add , ; yields ty:result = add nuw , ; yields ty:result = add nsw , ; yields ty:result = add nuw nsw , ; yields ty:result - 约束
- 作用到整数或者整数向量，两个操作数都必须是相同类型
- nuw
- No Unsigned Wrap
- nsw
- No Signed Wrap
- 如果无符号/有符号溢出，nuw/nsw设置，得到poison value
-
fadd= fadd [fast-math flags]* , ; yields ty:result - 约束
- 作用相等类型的浮点/浮点向量上
-
sub= sub = sub nuw = sub nsw = sub nuw nsw - 约束
- 作用到整数或者整数向量，两个操作数都必须是相同类型
- nuw
- No Unsigned Wrap
- nsw
- No Signed Wrap
- 如果无符号/有符号溢出，nuw/nsw设置，得到poison value
-
fsub= fsub [fast-math flags]* , ; yields ty:result - 约束
- 作用相等类型的浮点/浮点向量上
-
mul= mul , ; yields ty:result = mul nuw , ; yields ty:result = mul nsw , ; yields ty:result = mul nuw nsw , ; yields ty:result - 约束
- 作用到整数或者整数向量，两个操作数都必须是相同类型
- nuw
- No Unsigned Wrap
- nsw
- No Signed Wrap
- 如果无符号/有符号溢出，nuw/nsw设置，得到poison value
-
fmul= fmul [fast-math flags]* , ; yields ty:result - 约束
- 作用相等类型的浮点/浮点向量上
-
udiv= udiv , ; yields ty:result = udiv exact , ; yields ty:result - 约束
- 作用到整数或者整数向量，两个操作数都必须是相同类型
- 无符号整数相除
- 除0行为未知
- 使用exact时，如果((%op1 udiv exact %op2) mul %op2) != %op1, 则udiv exact得到的结果为poison value
-
sdiv= sdiv , ; yields ty:result = sdiv exact , ; yields ty:result - 约束
- 作用到整数或者整数向量，两个操作数都必须是相同类型
- 有符号整数相除
- 除0行为未知
- 溢出行为未知
- 如果exact使用，结果被舍入，则结果为poison value
-
fdiv= fdiv [fast-math flags]* , ; yields ty:result - 约束
- 作用相等类型的浮点/浮点向量上
-
urem= urem , ; yields ty:result - 约束
- 作用到整数或者整数向量，两个操作数都必须是相同类型
- 无符号整数除法的余数
- op2为0，行为未知
- 例如
= urem i32 4, %var ; yields i32:result = 4 % %var
-
srem= srem , ; yields ty:result - 约束
- 作用到整数或者整数向量，两个操作数都必须是相同类型
- 有符号整数除法的余数
- 结果要么为0，要么与op1有相同的符号
- op2为0，行为未知
- 溢出行为未知
-
frem= frem [fast-math flags]* , ; yields ty:result - 约束
- 作用相等类型的浮点/浮点向量上
- 与被除数相同符号
5.4 二元位运算
-
shl= shl , ; yields ty:result = shl nuw , ; yields ty:result = shl nsw , ; yields ty:result = shl nuw nsw , ; yields ty:result - 说明
- op1左移特定数量的位（op2为无符号）
- 结果为(op1 * 2^(op2) ) % 2^n
-
lshr= lshr , ; yields ty:result = lshr exact , ; yields ty:result - 说明
- 逻辑右移
-
ashr= ashr , ; yields ty:result = ashr exact , ; yields ty:result - 说明
- 算数右移
-
and= and , ; yields ty:result
-
or= or , ; yields ty:result
-
xor= xor , ; yields ty:result
5.5 向量操作
-
extractelement= extractelement > , ; yields = extractelement > , ; yields - 例子
= extractelement <4 x i32> %vec, i32 0 ; yields i32
-
insertelement= insertelement > , , ; yields > = insertelement > , , ; yields > - 例子
= insertelement <4 x i32> %vec, i32 1, i32 0 ; yields <4 x i32>
-
shufflevector= shufflevector > , > , ; yields > = shufflevector > , > v2, ; yields > - 例子
= shufflevector <4 x i32> %v1, <4 x i32> %v2, <4 x i32> ; yields <4 x i32> = shufflevector <4 x i32> %v1, <4 x i32> undef, <4 x i32> ; yields <4 x i32> - Identity shuffle. = shufflevector <8 x i32> %v1, <8 x i32> undef, <4 x i32> ; yields <4 x i32> = shufflevector <4 x i32> %v1, <4 x i32> %v2, <8 x i32> ; yields <8 x i32>
5.6 访问/操作内存
-
alloca= alloca [inalloca] [, ] [, align ] [, addrspace( )] ; yields type addrspace(num)*:result - 说明
- 在当前正执行函数的栈帧分配内存，当函数返回到调用点时自动释放此内存。对象分配内存空间会根据datalayout的指示来
- 例子
- %ptr = alloca i32 ; yields i32*:ptr
- %ptr = alloca i32, i32 4 ; yields i32*:ptr
- %ptr = alloca i32, i32 4, align 1024 ; yields i32*:ptr
- %ptr = alloca i32, align 1024 ; yields i32*:ptr
-
load= load [volatile] , * [, align ][, !nontemporal ! ][, !invariant.load ! ][, !invariant.group ! ][, !nonnull ! ][, !dereferenceable ! ][, !dereferenceable_or_null ! ][, !align ! ][, !noundef ! ] = load atomic [volatile] , * [syncscope(" ")] , align [, !invariant.group ! ]
!= !{ i32 1 }
!= !{}
!= !{ i64 }
!= !{ i64 } - 说明
- 指定从哪个内存地址加载；指定的类型必须是已知first class类型(不包含opaque structural type)
- 例子
- %ptr = alloca i32 ; yields i32*:ptr
- store i32 3, i32* %ptr ; yields void
- %val = load i32, i32* %ptr ; yields i32:val = i32 3
-
store- store [volatile]
, * [, align ][, !nontemporal ! ][, !invariant.group ! ] ; yields void - store atomic [volatile]
, * [syncscope(" ")] , align [, !invariant.group ! ] ; yields void
!= !{ i32 1 }
!= !{} - 说明
- 被用来写内存
- 类型必须是的first-class类型
- 例子
- %ptr = alloca i32 ; yields i32*:ptr
- store i32 3, i32* %ptr ; yields void
- %val = load i32, i32* %ptr ; yields i32:val = i32 3
- store [volatile]
-
fence- 用于实现happens-before
-
cmpxchg- 用于自动修改内存（比较，然后修改）。
-
atomicrmw- 用于自动修改内存
-
getelementptr= getelementptr , * {, [inrange] }* = getelementptr inbounds , * {, [inrange] }* = getelementptr , , [inrange] - 说明
- 获取aggregate数据结构的子元素的地址；它只执行地址计算不访问内存
- 例子
struct RT { char A; int B[10][20]; char C; }; struct ST { int X; double Y; struct RT Z; }; int *foo(struct ST *s) { return &s[1].Z.B[5][13]; }%struct.RT = type { i8, [10 x [20 x i32]], i8 } %struct.ST = type { i32, double, %struct.RT } define i32* @foo(%struct.ST* %s) nounwind uwtable readnone optsize ssp { entry: %arrayidx = getelementptr inbounds %struct.ST, %struct.ST* %s, i64 1, i32 2, i32 1, i64 5, i64 13 ret i32* %arrayidx }
5.6 强转操作
trunc ... tozext ... to= zext to ; yields ty2 - 约束
- 两个ty必须是整数，或者相同数量的整数向量
- value的位数要比ty2类型的位数小
- 例子
- %X = zext i32 257 to i64 ; yields i64:257
- %Y = zext i1 true to i32 ; yields i32:1
- %Z = zext <2 x i16>
to <2 x i32> ; yields
sext ... tofptrunc ... tofpext ... tofptoui ... tofptosi ... touitofp ... tositofp ... toptrtoint ... tointtoptr ... tobitcast ... toaddrspacecast ... to
5.7 其它操作
-
icmp= icmp , ; yields i1 or :result - eq: equal
- ne: not equal
- ugt: unsigned greater than
- uge: unsigned greater or equal
- ult: unsigned less than
- ule: unsigned less or equal
- sgt: signed greater than
- sge: signed greater or equal
- slt: signed less than
- sle: signed less or equal
- 说明
- 返回布尔值或者布尔值的向量
- op1和op2必须是integer/pointer或者interger vector
- 例子
= icmp eq i32 4, 5 ; yields: result=false = icmp ne float* %X, %X ; yields: result=false = icmp ult i16 4, 5 ; yields: result=true = icmp sgt i16 4, 5 ; yields: result=false = icmp ule i16 -4, 5 ; yields: result=false = icmp sge i16 4, 5 ; yields: result=false
-
fcmp= fcmp [fast-math flags]* , ; yields i1 or :result - false: no comparison, always returns false
- oeq: ordered and equal
- ogt: ordered and greater than
- oge: ordered and greater than or equal
- olt: ordered and less than
- ole: ordered and less than or equal
- one: ordered and not equal
- ord: ordered (no nans)
- ueq: unordered or equal
- ugt: unordered or greater than
- uge: unordered or greater than or equal
- ult: unordered or less than
- ule: unordered or less than or equal
- une: unordered or not equal
- uno: unordered (either nans)
- true: no comparison, always returns true
- 例子
= fcmp oeq float 4.0, 5.0 ; yields: result=false = fcmp one float 4.0, 5.0 ; yields: result=true = fcmp olt float 4.0, 5.0 ; yields: result=true = fcmp ueq double 1.0, 2.0 ; yields: result=false
-
phi= phi [fast-math-flags] [ , ], … - 说明
- 每个val对应一个label；
- 每个label对应一个basic block，此bb到phi节点的incoming value就是val
-
select -
freeze -
call -
va_arg -
landingpad -
catchpad -
cleanuppad