iOS LLVM编译流程

LLVM

LLVM是架构编译器（compiler）的框架系统，由C++编写完成，用于优化已任意程序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

传统编译器设计

• 编译器前端（Frontend）：负责解析源代码，它会进行词法分析、语法分析、语义分析和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会生成中间代码(intermediate representation IR)

• 优化器（Optimizer）：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（CodeGenerator）：将代码映射到目标指令集。生成机器语言，并进行机器相关的代码优化

传统编译器设计

iOS的编译器架构

OC/C/C++使用的编译器前端是Clang，swift前端是Swift，后端都是LLVM，Clang会生成中间代码(intermediate representation IR)

iOS编译器架构

LLVM设计

使用通用的代码表示形式(IR)，用来在编译器中表示代码的形式，所有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

LLVM

Clang简介

Clang是LLVM项目中的子项目，基于LLVM架构的轻量级编译器，诞生之初是为了替代GCC，提高更快的编译速度。它是负责编译C、C++、Object-C语言的编译器，在整个LLVM架构中属于编译器前端

编译流程

• 单独新建一个main.m文件

int test(int a,int b){
    return a + b + 3;
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    int a = test(1, 2);
    printf("%d",a);
    return 0;[图片上传中...(image.png-1984f6-1624280414052-0)]

}

• 通过命令clang -ccc-print-phases main.m
  
  LLVM编译流程

//输入文件：找到源文件
+- 0: input, "main.m", objective-c
//预处理阶段：处理包括宏的替换，头文件的导入
+- 1: preprocessor, {0}, objective-c-cpp-output
//编译阶段：进行词法、语法分析，检测语法是否正确，最终生成IR
+- 2: compiler, {1}, ir
//后端：LLVM会通过一个一个的Pass去优化，每个Pass做些事情，最终生成汇编代码
+- 3: backend, {2}, assembler
//生成目标文件
+- 4: assembler, {3}, object
//链接：链接需要的动态库和静态库，生成可执行文件
+- 5: linker, {4}, image
//通过不同的架构，生成对应的可执行文件
6: bind-arch, "x86_64", {5}, image

1、预处理阶段

预处理阶段是进行宏的替换和头文件的导入，我们可以通过下面命令来查看导入和替换情况

//在终端直接查看替换结果
clang -E main.m

//生成对应的文件查看替换后的源码
clang -E main.m >> main2.m

• typedef给数据类型取别名时，在预处理阶段不会被替换
• define的取的别名在预处理阶段会被替换，所有我们可以用这方法来进行关键代码混淆，例如将关键类和方法用系统类似的名称取别名

2、编译阶段

编译阶段主要是进行：词法、语法分析和代码错误检查，然后生成中间代码IR

（1）词法分析

预处理完成后就会进行词法分析，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

• 通过下面命令查看词法分析后结果

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

词法分析

• 如果头文件找不到，我们可以通过下面命令指定sdk

clang -isysroot （自己SDK路径） -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m

clang -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator14.1.sdk/ -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m

（2）语法分析

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

• 我们可以通过下面命令查看语法分析的结果

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

语法分析

• 如果导入头文件找不到，可以指定SDK

clang -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator14.1.sdk/ -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m

下面是几个关键字的含义

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

（3）生成中间代码IR

代码生成器（Code Generaltion）会将语法树自顶向下遍历逐步翻译成LLVM IR，OC代码会在这一步进行runtime的桥接：property合成，ARC处理等

• 我们可以通过下面命令生成.ll的文本文件，来查看IR代码

clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m

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

IR代码

• IR文件在OC中是可以进行优化的，一般设置是在target - Build Setting - Optimization Level（优化器等级）中设置。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

优化后的IR代码

• 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

clang -emit-llvm -c main.ll -o main.bc

.bc代码

3、后端

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

• 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

• 生成的汇编代码也可以进行优化

clang -Os -S -fobjc-arc main.m -o main.s

汇编代码main.s

4、生成目标文件

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

• 通过nm命令，查看main.o中的符号

xcrun nm -nm main.o

main.o中的符号

• external表示这个符号是可以外部访问的
• _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

5、链接

链接主要是链接需要的动态库和静态库

• 静态库和可执行文件合并
• 动态库是独立链接

链接器会吧编译生成的.o文件和(.dylib.a)文件，生成一个mach-o文件

clang main.o -o main

查看链接后的符号

xcrun nm -nm main

如下所示，其中undefined表示会在运行时进行动态绑定

mach-o文件符号

6、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

总结

LLVM编译流程