iOS底层-29：LLVM

LLVM概述

LLVM是架构编译器(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。
LLVM计划启动于2000年，最初由美国UIUC大学的Chris Latter博士支持开展。
2006年Chris Latter加盟Apple Inc。并致力于LLVM在Apple开发体系中的应用。Apple也是LLVM计划的主要资助者。
目前LLVM已经被苹果iOS开发工具、Xilinx Vivado、Facebook、Google等大公司采用。

传统编译器

• 新建一个hello.c文件

#include 
int main (int a, char* argv[]){

        printf("hello \n");
        return 0;

}

• clang hello.c
  

  
  桌面上会生成一个a.out文件
  

• 通过file指令查看a.out

file a.out

a.out: Mach-O 64-bit executable x86_64

可以看到a.out是一个Mach-O格式的64位可执行文件，架构是x86_64 模拟器可读。所以Mac电脑可以读。

• ./a.out，执行这个文件
  
  
  就会打印一个hello

编译器就是将代码，转换成CPU能看懂的二进制文件，这里的.out文件也是二进制文件

传统编译器设计

编译器前端(Frontend)
编译器前端的任务是解析源代码。他会进行：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(Abstract Syntax Tree，AST)，LLVM的前端还会生成中间代码(intermediate representation，IR)。

优化器(Optimizer)
优化器负责进行各种优化。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，并且进行机器相关的代码优化。

iOS编译器架构

Objective-C/C/C++使用的编译器前端是clang，Swift是swift，后端都是LLVM。

LLVM的设计

当编译器决定支持多种源语言或多种硬件架构时，LLVM最重要的地方就来了。其他的编译器如GCC，它非常成功，但由于它是作为整体应用程序设计的，因此他们的用途受到了很大的限制。

LLVM最重要的方面是，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。

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架构中的，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。

编译流程

通过命令可以打印源码的编译阶段

• clang -ccc-print-phases main.m

0: input, "main.m", objective-c
1: preprocessor, {0}, objective-c-cpp-output 2: compiler, {1}, ir
3: backend, {2}, assembler
4: assembler, {3}, object
5: linker, {4}, image
6: bind-arch, "x86_64", {5}, image

总共有这7个阶段。
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：链接需要的动静态库，生成可执行文件。
6：通过不同的架构，生成对应的可执行文件。

预处理阶段
执行如下命令

• clang -E main.m
• clang -E main.m >> xxxx.m

执行完毕可以看到头文件的导入和宏的替换。

typedef int LY_INT_32 ; typedef不会被替换
#define isVip wee68990 可以用来做混淆

编译阶段

• 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，等于号还有字符串等。

  • clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m
一个符号一个符号分析

• 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”，然后将所有结点组成抽象语法树(Abstract Syntax Tree, AST)。语法分析程序判断程序在结构上是否正确。

  • clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m
    如果导入头文件找不到，那么可以指定SDK
  • clang -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/ iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator12.2.sdk(自己SDK的路径) -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m

• 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。通过下面的命令可以生成.ll的文本文件，查看IR代码。

  • clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m
Objective-C代码在这一步会进行runtime的桥接：property合成，ARC处理等。
    

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字节
store 写入内存
load 读取数据
call 调用函数
ret 返回

IR的优化
LLVM的优先级别分别是 -O0 -O1 -O2 -O3 -Os（第一个是大写字母O）
-clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o main.ll

也可以在Xcode中可以设置

bitCode
Xcode7之后开启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

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

• 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

• 生成目标文件（汇编器）
  目标文件的生成，是以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）。

  • clang -fmodules -c main.s -o main.o

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undefined external
undefined表示在当前文件暂时找不到_printf
external表示这个符号是外部可以访问的。

• 生成可执行文件（链接）
  链接器把编译产生的.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