LLVM系列第十九章：写一个简单的Module Pass

系列文章目录

LLVM系列第一章：编译LLVM源码
LLVM系列第二章：模块Module
LLVM系列第三章：函数Function
LLVM系列第四章：逻辑代码块Block
LLVM系列第五章：全局变量Global Variable
LLVM系列第六章：函数返回值Return
LLVM系列第七章：函数参数Function Arguments
LLVM系列第八章：算术运算语句Arithmetic Statement
LLVM系列第九章：控制流语句if-else
LLVM系列第十章：控制流语句if-else-phi
LLVM系列第十一章：写一个Hello World
LLVM系列第十二章：写一个简单的词法分析器Lexer
LLVM系列第十三章：写一个简单的语法分析器Parser
LLVM系列第十四章：写一个简单的语义分析器Semantic Analyzer
LLVM系列第十五章：写一个简单的中间代码生成器IR Generator
LLVM系列第十六章：写一个简单的编译器
LLVM系列第十七章：for循环
LLVM系列第十八章：写一个简单的IR处理流程Pass
LLVM系列第十九章：写一个简单的Module Pass
LLVM系列第二十章：写一个简单的Function Pass
LLVM系列第二十一章：写一个简单的Loop Pass
LLVM系列第二十二章：写一个简单的编译时函数调用统计器(Pass)
LLVM系列第二十三章：写一个简单的运行时函数调用统计器(Pass)
LLVM系列第二十四章：用Xcode编译调试LLVM源码
LLVM系列第二十五章：简单统计一下LLVM源码行数
LLVM系列第二十六章：理解LLVMContext
LLVM系列第二十七章：理解IRBuilder
LLVM系列第二十八章：写一个JIT Hello World
LLVM系列第二十九章：写一个简单的常量加法“消除”工具(Pass)

flex&bison系列

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前言

在此记录下用LLVM创建一个简单的Module Pass的过程，以备查阅。

开发环境的配置请参考第一章 《LLVM系列第一章：编译LLVM源码》。

Module Pass是针对IR代码中的每个模块 (Module)执行的。它可以对模块内的所有函数、全局变量等进行分析处理时。注意在进行处理时，Pass从模块得到函数是无序的。

本章我们就来写一个最简单的Module Pass。

一、项目结构

我们把这个简单的项目命名为SimpleModulePass。可以参考LLVM的源码中其它Pass流程的组织结构，来组织我们自己的代码（示例）：

llvm-project/llvm
├── ...
├── lib
│   └── Transforms
│       ├── CMakeLists.txt
│       └── SimpleModulePass
│           ├── CMakeLists.txt
│           └── SimpleModulePass.cpp
└── ...

二、项目细节

1. 程序模块

这个简单的项目只包含了一个模块：

1. SimpleModulePass，一个简单的Module Pass模块

SimpleModulePass将会对每一个模块进行处理，即把其模块中的所有全局变量、函数等信息打印出来。

注意，我们需要把SimpleModulePass项目加入到LLVM Transforms父项目中，即指示CMake在编译LLVM源码的同时，也要编译SimpleModulePass项目。

以下是跟项目组织结构相关的部分CMake脚本。

(1) lib/Transforms/SimpleModulePass/CMakeLists.txt文件（示例）：

# CMakeLists.txt

add_llvm_library(SimpleModulePass MODULE BUILDTREE_ONLY
    SimpleModulePass.cpp

    PLUGIN_TOOL
    opt
)

(2) lib/Transforms/CMakeLists.txt文件（示例）：

...
add_subdirectory(SimpleModulePass)
...

3. Simple Module Pass

SimpleModulePass的实现在文件lib/Transforms/SimpleModulePass/SimpleModulePass.cpp中：

// SimpleModulePass.cpp

#include "llvm/IR/PassManager.h"
#include "llvm/Passes/PassBuilder.h"
#include "llvm/Passes/PassPlugin.h"
#include "llvm/Support/raw_ostream.h"

#include  

using namespace llvm;
using std::cout;
using std::endl;

namespace
{
    class SimpleModulePass : public PassInfoMixin<SimpleModulePass>
    {
    public:

        PreservedAnalyses run(Module& module, ModuleAnalysisManager& analysisManager)
        {
            cout << "Module: " << module.getName().str() << endl;
            cout << "    ID: " << module.getModuleIdentifier() << endl;
            cout << "    Source File Name: " << module.getSourceFileName() << endl;
            cout << "    Instruction Count: " << module.getInstructionCount() << endl;

            // Print out all the global variables in this module
            cout << endl << "    Gloabl Variable Count: " << module.getGlobalList().size() << endl;
            for (const auto& globalVariable : module.getGlobalList())
            {
                cout << "        Global Variable: " << globalVariable.getName().str() << endl;
            }

            // Print out all the functions in this module
            cout << endl << "    Function Count: " << module.getFunctionList().size() << endl;
            for (const auto& function : module)
            {
                cout << "        Function: " << function.getName().str() << endl;
            }

            // Assuming we did not change anything of the IR code
            return PreservedAnalyses::all();
        }
    };
}

// This is the new way of registering our pass
extern "C" PassPluginLibraryInfo LLVM_ATTRIBUTE_WEAK llvmGetPassPluginInfo()
{
    return
    {
        LLVM_PLUGIN_API_VERSION,
        "SimpleModulePass",
        "v0.1",
        [](PassBuilder& passBuilder) {
            passBuilder.registerPipelineParsingCallback(
                [](StringRef name, ModulePassManager& passManager, ArrayRef<PassBuilder::PipelineElement>) {
                    if(name == "simple-module-pass")
                    {
                        passManager.addPass(SimpleModulePass());
                        return true;
                    }

                    return false;
                }
            );
        }
    };
}

三、编译

1. 生成项目文件

用CMake工具生成项目文件（示例）：

cd /path/to/llvm-project
mkdir build
cd build

cmake -G Ninja -DLLVM_ENABLE_PROJECTS=clang ../llvm

输出log如下（示例）：

-- clang project is enabled
-- clang-tools-extra project is disabled
-- ...
-- Ninja version: 1.10.2
-- Found ld64 - /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Toolchains/XcodeDefault.xctoolchain/usr/bin/ld
-- ...
-- LLVM host triple: x86_64-apple-darwin20.6.0
-- LLVM default target triple: x86_64-apple-darwin20.6.0
-- ...
-- Configuring done
-- Generating done
-- Build files have been written to: .../llvm-project/build

2. 编译

用ninja进行编译（示例）：

ninja

如果我们是在第一章的编译LLVM完成之后，再编译此项目，则仅仅需要编译SimpleModulePass项目即可。当然，这是ninja自动就能识别出来的，即所谓的增量编译技术。输出log如下（示例）：

[4/4] Linking CXX shared module lib/SimpleModulePass.dylib

3. 运行

为了简单起见，假设我们要对以下Test.c文件中C代码进行处理（示例）：

// Test.c

int globalInt = 0;
short globalShort = 1;
const char* globalString = "This is a global string";

int Foo(int a)
{
    int b;

    if (a > 33)
    {
        b = 66;
    }
    else
    {
        b = 77;
    }

    return b;
}

int Bar(int a, int b)
{
    return a + b;
}

int Bead(int a, int b)
{
    return a * b;
}

可以用clang生成IR代码，命令如下（示例）：

mv ../llvm/lib/Transforms/SimpleModulePass/Test.c.txt ../llvm/lib/Transforms/SimpleModulePass/Test.c

clang -S -emit-llvm ../llvm/lib/Transforms/SimpleModulePass/Test.c -o ../llvm/lib/Transforms/SimpleModulePass/Test.ll

生成IR代码大体如下（示例）：

; ModuleID = '../llvm/lib/Transforms/SimpleModulePass/Test.c'
source_filename = "../llvm/lib/Transforms/SimpleModulePass/Test.c"
target datalayout = "e-m:o-p270:32:32-p271:32:32-p272:64:64-i64:64-f80:128-n8:16:32:64-S128"
target triple = "x86_64-apple-macosx11.0.0"

@globalInt = dso_local global i32 0, align 4
@globalShort = dso_local global i16 1, align 2
@.str = private unnamed_addr constant [24 x i8] c"This is a global string\00", align 1
@globalString = dso_local global i8* getelementptr inbounds ([24 x i8], [24 x i8]* @.str, i32 0, i32 0), align 8

; Function Attrs: noinline nounwind optnone ssp uwtable
define dso_local i32 @Foo(i32 %a) #0 {
entry:
  %a.addr = alloca i32, align 4
  %b = alloca i32, align 4
  store i32 %a, i32* %a.addr, align 4
  %0 = load i32, i32* %a.addr, align 4
  %cmp = icmp sgt i32 %0, 33
  br i1 %cmp, label %if.then, label %if.else

if.then:                                          ; preds = %entry
  store i32 66, i32* %b, align 4
  br label %if.end

if.else:                                          ; preds = %entry
  store i32 77, i32* %b, align 4
  br label %if.end

if.end:                                           ; preds = %if.else, %if.then
  %1 = load i32, i32* %b, align 4
  ret i32 %1
}

; Function Attrs: noinline nounwind optnone ssp uwtable
define dso_local i32 @Bar(i32 %a, i32 %b) #0 {
entry:
  %a.addr = alloca i32, align 4
  %b.addr = alloca i32, align 4
  store i32 %a, i32* %a.addr, align 4
  store i32 %b, i32* %b.addr, align 4
  %0 = load i32, i32* %a.addr, align 4
  %1 = load i32, i32* %b.addr, align 4
  %add = add nsw i32 %0, %1
  ret i32 %add
}

; Function Attrs: noinline nounwind optnone ssp uwtable
define dso_local i32 @Bead(i32 %a, i32 %b) #0 {
entry:
  %a.addr = alloca i32, align 4
  %b.addr = alloca i32, align 4
  store i32 %a, i32* %a.addr, align 4
  store i32 %b, i32* %b.addr, align 4
  %0 = load i32, i32* %a.addr, align 4
  %1 = load i32, i32* %b.addr, align 4
  %mul = mul nsw i32 %0, %1
  ret i32 %mul
}

attributes #0 = { noinline nounwind optnone ssp uwtable "disable-tail-calls"="false" "frame-pointer"="all" "less-precise-fpmad"="false" "min-legal-vector-width"="0" "no-infs-fp-math"="false" "no-jump-tables"="false" "no-nans-fp-math"="false" "no-signed-zeros-fp-math"="false" "no-trapping-math"="true" "stack-protector-buffer-size"="8" "target-cpu"="penryn" "target-features"="+cx16,+cx8,+fxsr,+mmx,+sahf,+sse,+sse2,+sse3,+sse4.1,+ssse3,+x87" "tune-cpu"="generic" "unsafe-fp-math"="false" "use-soft-float"="false" }

!llvm.module.flags = !{!0, !1}
!llvm.ident = !{!2}

!0 = !{i32 1, !"wchar_size", i32 4}
!1 = !{i32 7, !"PIC Level", i32 2}
!2 = !{!"clang version 12.0.1 (https://github.com/llvm/llvm-project fed41342a82f5a3a9201819a82bf7a48313e296b)"}

运行SimpleModulePass（示例）：

./bin/opt -load-pass-plugin=lib/SimpleModulePass.dylib -passes="simple-module-pass" -disable-output ../llvm/lib/Transforms/SimpleModulePass/Test.ll

输出结果如下（示例）：

Module: ../llvm/lib/Transforms/SimpleModulePass/Test.ll
    ID: ../llvm/lib/Transforms/SimpleModulePass/Test.ll
    Source File Name: ../llvm/lib/Transforms/SimpleModulePass/Test.c
    Instruction Count: 28

    Gloabl Variable Count: 4
        Global Variable: globalInt
        Global Variable: globalShort
        Global Variable: .str
        Global Variable: globalString

    Function Count: 3
        Function: Foo
        Function: Bar
        Function: Bead

四、总结

我们用LLVM提供的C++ API，创建了一个简单的Module Pass，并且编译运行成功。完整源码示例请参看：
https://github.com/wuzhanglin/llvm-pass-examples