2312llvm,用匹配器构建clang工具

原文

用LibTooling和LibASTMatchers构建工具

这里展示如何基于Clang的LibTooling构建有用的源到源翻译工具.基础

步骤0:取Clang

因为Clang是LLVM项目的一部分,因此你需要先下载LLVM的源码.Clang和LLVM都在同一个git仓库中,在不同的目录下.更多见入门指南.

cd ~/clang-llvm
git clone https://github.com/llvm/llvm-project.git

接着,要取CMake构建系统和Ninja构建工具.

cd ~/clang-llvm
git clone https://github.com/martine/ninja.git
cd ninja
git checkout release
./bootstrap.py
sudo cp ninja /usr/bin/
cd ~/clang-llvm
git clone git://cmake.org/stage/cmake.git
cd cmake
git checkout next
./bootstrap
make
sudo make install

好.现在构建Clang!

cd ~/clang-llvm
mkdir build && cd build
cmake -G Ninja ../llvm -DLLVM_ENABLE_PROJECTS="clang;clang-tools-extra" -DLLVM_BUILD_TESTS=ON  
# 允许测试,默认关闭.
ninja
ninja check       # Test LLVM only.
ninja clang-test  # Test Clang only.
ninja install

好,可以了.所有测试都应通过.
最后,想设置Clang为它自己的编译器.

cd ~/clang-llvm/build
cmake ../llvm

第二个命令打开配置Clang的GUI.你需要设置CMAKE_CXX_COMPILER项.按"t"打开高级模式.向下滚动到CMAKE_CXX_COMPILER,并设置它为/usr/bin/clang++,或安装位置.
按"c"配置,然后按"g"生成CMake的文件.
最后,最后一次运行ninja,你就完成了.

步骤1:创建ClangTool

创建最简单的ClangTool:语法检查器.虽然已有clang-check了.

首先,为工具创建新目录,并告诉CMake它存在.因为这不会是核心clang工具,它将在clang-tools-extra仓库中.

cd ~/clang-llvm
mkdir clang-tools-extra/loop-convert
echo 'add_subdirectory(loop-convert)' >> clang-tools-extra/CMakeLists.txt
vim clang-tools-extra/loop-convert/CMakeLists.txt

CMakeLists.txt应包含以下内容:

set(LLVM_LINK_COMPONENTS support)
add_clang_executable(loop-convert
  LoopConvert.cpp
  )
target_link_libraries(loop-convert
  PRIVATE
  clangAST
  clangASTMatchers
  clangBasic
  clangFrontend
  clangSerialization
  clangTooling
  )

完成后,Ninja可编译此工具.编译!在clang-tools-extra/loop-convert/LoopConvert.cpp中放置以下内容.
不同部件见LibTooling文档.

//声明`clang::SyntaxOnlyAction`.
#include "clang/Frontend/FrontendActions.h"
#include "clang/Tooling/CommonOptionsParser.h"
#include "clang/Tooling/Tooling.h"
//声明`llvm::cl::extrahelp`.
#include "llvm/Support/CommandLine.h"
using namespace clang::tooling;
using namespace llvm;
//对所有命令行选项,自定义分类,这样只显示他们.
static llvm::cl::OptionCategory MyToolCategory("my-tool options");
 //`CommonOptionsParser`用与编译数据库和输入文件相关的常见命令行选项的`说明`声明`HelpMessage`.
//在所有工具中都有此帮助消息.

static cl::extrahelp CommonHelp(CommonOptionsParser::HelpMessage);
//之后可添加此`特定工具`的帮助消息.
static cl::extrahelp MoreHelp("\nMore help text...\n");
int main(int argc, const char **argv) {
  auto ExpectedParser = CommonOptionsParser::create(argc, argv, MyToolCategory);
  if (!ExpectedParser) {
    //对不支持的选项,优雅失败.
    llvm::errs() << ExpectedParser.takeError();
    return 1;
  }
  CommonOptionsParser& OptionsParser = ExpectedParser.get();
  ClangTool Tool(OptionsParser.getCompilations(), OptionsParser.getSourcePathList());
  return Tool.run(newFrontendActionFactory<clang::SyntaxOnlyAction>().get());
}

就这样!可通过从build目录运行ninja来编译新工具.

cd ~/clang-llvm/build
ninja

现在应可在源文件上运行在~/clang-llvm/build/bin中的语法检查器.试试!

echo "int main() { return 0; }" > test.cpp
bin/loop-convert test.cpp --

注意指定源文件后的两个破折号.在破折号之后传递编译器附加选项,而不是从编译数据库中加载它们,现在不需要选项.

Intermezzo:学习AST匹配器基础

Clang最近推出了,提供简单,强大且简洁方式来描述AST中的指定模式的ASTMatcher库.

按宏和模板提供支持的DSL实现匹配器(见ASTMatchers.h,这里),它提供了函数式语言常见的代数数据类型的感觉.

如,假设只想检查二元符号.有个叫binaryOperator的匹配器可完成:

binaryOperator(hasOperatorName("+"), hasLHS(integerLiteral(equals(0))))

它会与左侧正好是0字面的加式匹配.不会与其他形式的0(如"\0"或NULL)匹配,但它与到0的扩展宏匹配.

匹配器也不会匹配调用"+"重载符号,因为有个单独的operatorCallExpr匹配器来处理重载符号.

有个AST匹配器来匹配AST的所有不同节点,缩小匹配器以仅匹配指定条件的AST节点,及从一个AST节点取到另一个AST节点的遍历匹配器.

AST匹配器的完整列表

所有名词匹配器都描述了AST中的可绑定实体,以便找到匹配项时可引用它们.为此,只需在这些匹配器上调用bind方法,如:

variable(hasType(isInteger())).bind("intvar")

第2步:使用AST匹配器

好的,使用匹配器.先定义一个抓按零定义初化的新变量的所有语句的匹配器.从匹配所有for循环开始:

forStmt()

接着,要在循环的第一部分,指定声明单个变量,以便可扩展匹配器到

forStmt(hasLoopInit(declStmt(hasSingleDecl(varDecl()))))

最后,可添加把变量初化为零的条件.

forStmt(hasLoopInit(declStmt(hasSingleDecl(varDecl(
  hasInitializer(integerLiteral(equals(0))))))))

很容易阅读和理解匹配器定义(“匹配,init部分声明了一个按0字面初化的变量的循环”),但很难确定每个部分都是必要的.

注意,此匹配器不会匹配,初化为"\0",0.0,NULL或除0整数之外的零的变量的循环.
最后一步是给匹配器取个名字,并绑定ForStmt,因为想用它干活:

StatementMatcher LoopMatcher =
  forStmt(hasLoopInit(declStmt(hasSingleDecl(varDecl(
    hasInitializer(integerLiteral(equals(0)))))))).bind("forLoop");

定义了匹配器后,要添加更多助手来运行它们.匹配器与MatchCallback配对,并用MatchFinder对象注册,然后从ClangTool运行.
添加以下内容到LoopConvert.cpp:

#include "clang/ASTMatchers/ASTMatchers.h"
#include "clang/ASTMatchers/ASTMatchFinder.h"
using namespace clang;
using namespace clang::ast_matchers;
StatementMatcher LoopMatcher =
  forStmt(hasLoopInit(declStmt(hasSingleDecl(varDecl(
    hasInitializer(integerLiteral(equals(0)))))))).bind("forLoop");
class LoopPrinter : public MatchFinder::MatchCallback {
public :
  virtual void run(const MatchFinder::MatchResult &Result) {
    if (const ForStmt *FS = Result.Nodes.getNodeAs<clang::ForStmt>("forLoop"))
      FS->dump();
  }
};

并将main()更改为:

int main(int argc, const char **argv) {
  auto ExpectedParser = CommonOptionsParser::create(argc, argv, MyToolCategory);
  if (!ExpectedParser) {
    //对不支持的选项,优雅失败.
    llvm::errs() << ExpectedParser.takeError();
    return 1;
  }
  CommonOptionsParser& OptionsParser = ExpectedParser.get();
  ClangTool Tool(OptionsParser.getCompilations(), OptionsParser.getSourcePathList());
  LoopPrinter Printer;
  MatchFinder Finder;
  Finder.addMatcher(LoopMatcher, &Printer);
  return Tool.run(newFrontendActionFactory(&Finder).get());
}

现在,应该可重新编译,并运行代码以发现for循环.创建包含几个示例的新文件,并测试新手工作品:

cd ~/clang-llvm/llvm/llvm_build/
ninja loop-convert
vim ~/test-files/simple-loops.cc
bin/loop-convert ~/test-files/simple-loops.cc

步骤3.5:更复杂的匹配器

简单匹配器可发现for循环,但仍需要过滤掉更多循环.可用一些巧妙选择的匹配器来完成很大一部分剩余工作,但先要决定想要允许的属性.

如何表征可转换为基于区间语法的数组上的循环?大小为N的数组,基于区间的循环:
1,从0索引开始
2,连续迭代
3,在N-1索引处结束

已检查了
(1),因此还要添加的只是检查循环条件,以确保循环的索引变量与N比较,并再次检查确保增量步骤只是递增相同变量.
(2)的匹配器很简单:要求在init部分,声明相同变量的前增量或后增量.

可惜,不能写此匹配器.匹配器不包含比较两个任意AST节点,并确定是否相等的逻辑,因此最好就是匹配比允许更多,并额外与回调比较.
就可开始构建该子匹配器.可要求增量步骤是一元增量,如下:

hasIncrement(unaryOperator(hasOperatorName("++")))

指定递增内容,引入了Clang的AST的另一个怪癖:因为它们是引用变量声明的表达式,按DeclRefExpr(“声明引用式”)表示变量用法.

要找到引用指定声明的unaryOperator,可简单地给它添加第二个条件:

hasIncrement(unaryOperator(
  hasOperatorName("++"),
  hasUnaryOperand(declRefExpr())))

此外,可按仅在递增变量为整数时才限制匹配匹配器:

hasIncrement(unaryOperator(
  hasOperatorName("++"),
  hasUnaryOperand(declRefExpr(to(varDecl(hasType(isInteger())))))))

最后一步是,把标识附加到此变量,以便可在回调中提取它:

hasIncrement(unaryOperator(
  hasOperatorName("++"),
  hasUnaryOperand(declRefExpr(to(
    varDecl(hasType(isInteger())).bind("incrementVariable"))))))

可添加这段代码到LoopMatcher定义中,并确保配备了新匹配器的程序,只打印出按零初化声明的单个变量的循环,并有由某个变量的一元增量组成的增量步骤.

现在,只需要添加一个匹配器,来检查for循环的条件变量部分是否与数组大小比较.只有一个问题:如果不查看循环主体,则不知道正在迭代的数组!

再次限制为,在匹配器中得到近似想要结果,在回调中填写细节.因此,从如下开始:

hasCondition(binaryOperator(hasOperatorName("<")))

确保左侧是引用变量,且右侧有整数类型.

hasCondition(binaryOperator(
  hasOperatorName("<"),
  hasLHS(declRefExpr(to(varDecl(hasType(isInteger()))))),
  hasRHS(expr(hasType(isInteger())))))

为什么?因为它不管用.在test-files/simple.cpp中提供的三个循环中,没有一个有匹配条件.快速查看第一个由上一个循环转换迭代生成的for循环的AST转储,展示了答案:

(ForStmt 0x173b240
  (DeclStmt 0x173afc8
    0x173af50 "int i =
      (IntegerLiteral 0x173afa8 'int' 0)")
  <<>>
  (BinaryOperator 0x173b060 '_Bool' '<'
    (ImplicitCastExpr 0x173b030 'int'
      (DeclRefExpr 0x173afe0 'int' lvalue Var 0x173af50 'i' 'int'))
    (ImplicitCastExpr 0x173b048 'int'
      (DeclRefExpr 0x173b008 'const int' lvalue Var 0x170fa80 'N' 'const int')))
  (UnaryOperator 0x173b0b0 'int' lvalue prefix '++'
    (DeclRefExpr 0x173b088 'int' lvalue Var 0x173af50 'i' 'int'))
  (CompoundStatement ...

已知道声明和增量都匹配,否则就不会转储该循环.原因在小于符号的第一个操作数(即LHS)的隐式转换,即引用i的式中,有个L值到R值的转换.

好的是,匹配器库,以ignoringParenImpCast提供了此问题方法,告诉匹配器,在继续匹配前,忽略隐式转换和括号.

调整条件符号,恢复期望匹配.

hasCondition(binaryOperator(
  hasOperatorName("<"),
  hasLHS(ignoringParenImpCasts(declRefExpr(
    to(varDecl(hasType(isInteger())))))),
  hasRHS(expr(hasType(isInteger())))))

在把绑定添加到想抓的式中,并把标识串提取到变量中后,完成了数组第2步.

步骤4:提取匹配的节点

目前,匹配器回调,还不是很有趣:它只是转储循环的AST.有时,需要更改输入源码.接着,使用上一步中绑定的节点.

MatchFinder::run()回调带MatchFinder::MatchResult&参数.感兴趣的是它的Context和Nodes成员.

即,Clang使用ASTContext类,来表示AST的环境信息,但最重要的是多个操作需要ASTContext*参数.
更直接有用的是匹配节点的集合,及如何提取它们.
因为绑定了三个(由ConditionVarName,InitVarName和IncrementVarName标识)变量,因此可用getNodeAs()成员函数取匹配节点.
在LoopConvert.cpp中添加

#include "clang/AST/ASTContext.h"

更改LoopMatcher为:

StatementMatcher LoopMatcher =
    forStmt(hasLoopInit(declStmt(
                hasSingleDecl(varDecl(hasInitializer(integerLiteral(equals(0)))).bind("initVarName")))),
            hasIncrement(unaryOperator(
                hasOperatorName("++"),
                hasUnaryOperand(declRefExpr(
                    to(varDecl(hasType(isInteger())).bind("incVarName")))))),
            hasCondition(binaryOperator(
                hasOperatorName("<"),
                hasLHS(ignoringParenImpCasts(declRefExpr(
                    to(varDecl(hasType(isInteger())).bind("condVarName"))))),
                hasRHS(expr(hasType(isInteger())))))).bind("forLoop");

并将LoopPrinter::run更改为

void LoopPrinter::run(const MatchFinder::MatchResult &Result) {
  ASTContext *Context = Result.Context;
  const ForStmt *FS = Result.Nodes.getNodeAs<ForStmt>("forLoop");
  //不想转换头文件!
  if (!FS || !Context->getSourceManager().isWrittenInMainFile(FS->getForLoc()))
    return;
  const VarDecl *IncVar = Result.Nodes.getNodeAs<VarDecl>("incVarName");
  const VarDecl *CondVar = Result.Nodes.getNodeAs<VarDecl>("condVarName");
  const VarDecl *InitVar = Result.Nodes.getNodeAs<VarDecl>("initVarName");
  if (!areSameVariable(IncVar, CondVar) || !areSameVariable(IncVar, InitVar))
    return;
  llvm::outs() << "发现可能基于数组的循环.\n";
}

Clang用每个表示变量声明的变量关联VarDecl.因为每个声明的"规范"形式按地址都是唯一的,因此只需要确保(VarDecl的基类)ValueDecl不是NULL并比较规范声明.

static bool areSameVariable(const ValueDecl *First, const ValueDecl *Second) {
  return First && Second &&
         First->getCanonicalDecl() == Second->getCanonicalDecl();
}

如果执行到达LoopPrinter::run()的末尾,知道循环壳如下

for (int i= 0; i < expr(); ++i) { ... }

现在,只打印一条说明发现了个循环的消息.

顺便,尽管Clang已通过提供规范式方法,完成了艰苦工作,测试两个式是否相同,并不是那么简单:

static bool areSameExpr(ASTContext *Context, const Expr *First, const Expr *Second) {
  if (!First || !Second)
    return false;
  llvm::FoldingSetNodeID FirstID, SecondID;
  First->Profile(FirstID, *Context, true);
  Second->Profile(SecondID, *Context, true);
  return FirstID == SecondID;
}

此代码依赖两个llvm::FoldingSetNodeID间的比较.如Stmt::Profile()文档所示,Profile()成员函数,根据AST中的节点属性及其子节点的属性构建节点描述.
然后,FoldingSetNodeID按比较式的哈希来用.稍后需要areSameExpr.在添加其他循环到test-files/simple.cpp上,运行新代码前,请试找出哪些是可转换的循环.