GNU/GCC

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http://blog.csdn.net/sonicling

GCC（GNU Compiler Collection，GNU编译器套装），是一套由GNU开发的编程语言编译器。它是一套以GPL及LGPL许可证所发布的自由软件，也是GNU项目的关键部分，亦是自由的类Unix及苹果电脑Mac OS X 操作系统的标准编译器。GCC（特别是其中的C语言编译器）也常被认为是跨平台编译器的事实标准。

一、GCC的作用和运行机制

    GCC是Linux下重要的编译工具，用法这里就不说了，满大街都找得到。这里我重点介绍GCC的运作机制，作为代码分析的铺垫。全篇使用C语言子部件来作分析，因为我对其他语言的编译没有研究。

    根据编译原理，语言的编译分为这么几个步骤：词法分析、语法分析、语义分析、中间语言生成、优化、目标代码生成等。然而从编译器使用的角度来看，要把源代码翻译为可执行文件要经过编译和连接两步，与此对应，一个完整的编译系统一定包含编译器和连接器两大功能部件。编译器要完成编译原理中提到的那些任务；连接器要把编译器生成的代码片段拼接成一个完整的可执行程序。之所以需要连接器，是因为一般的程序都是多源文件的，而编译器一次只编译一个源文件（称之为翻译单元translation unit），因此需要连接器把所有翻译单元对应的输出合并成一个可执行文件。

    如果一切顺利，可执行程序就可以正确的生成出来。但是一旦源代码存在某些问题，错误就会被报告出来。编译器报告的错误一般都是局部错误，它会指明错误在哪个文件第几行；连接器报告的错误一般都是全局错误，而且绝大多数都是多胳膊少腿的问题，比如函数重定义，无法解决的外部符号等，这些错误无法定位到某一行。

    GCC就是这里的编译器。准确来说，GCC是一个编译驱动器，驱动cc1、as和ld三个部件完成编译、汇编和连接的工作。cc1将C语言源文件编译为汇编文件（.s）。而将汇编代码转换为二进制指令的工作由AS完成，生成大家都很熟悉的对象文件（.o）；生成的这些对象文件再由AR程序打包成静态库（.a），或者由LD程序连接成可执行程序（elf、.so或其他格式）。而LD就是所谓的连接器。AS、AR、LD是属于另外一个叫做binutils的软件包的程序，所以要让GCC能够有效运作起来，除了在系统中安装GCC外，还要安装binutils才行。

以下是cc1、as、ld各司其责的配合完成一个编译过程。

[plain]  view plain copy

1. gcc test.c -S -o test.S  
2. as test.S -o test.o  
3. ld test.o -o test  

    通常所用的“gcc -c”就相当于“gcc -S” + as，而对于编译单个源文件一步到位生成可执行“gcc test.c -o test”相当于上面三个步骤的组合，中间文件被放置在临时目录下。从这一点看来，GCC除去编译的功能外，更像是个driver，它可以驱动as和ld完成整个的编译，特别是gcc也接受对象文件（.o）和静态库（.a）作为参数用于生成可执行程序，其实背后就是调用的LD，还可以用“-Wl,”选项给LD传递自定义参数。所以在大多数软件的Makefile里，你很难找到AS和LD的字眼，gcc已经给你包办了。

    GCC源代码里包含的主要就是cc1这部分（还包括一些其他的辅助工具，比如collect2等）。

GCC的安装

    要学习和修改GCC源码，首先第一步是在自己的机器上用GCC源代码编译出一个选定版本的GCC（这里以gcc-4.5.2.tar.bz2为例，源码可以从http://gcc.gnu.org去下载）。除此之外，GCC依赖于gmp、mpfr、mpc三个库，如果你机器上没有，或者版本太老以至于无法支持新的GCC，那么你还得去把这三个库下载下来。

一般来说，下载GCC是从GNU的FTP镜像网站去下载，gcc的代码包一般放置在/release/gcc-x.y目录下，而那三个依赖库一般放置在/infrastructure/目录下。

1、把依赖库和GCC解包

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1. tar -vjxf gmp-4.3.2.tar.bz2 -C /usr/src/  
2. tar -vjxf mpfr-2.4.2.tar.bz2 -C /usr/src/  
3. tar -vxf mpc-0.8.1.tar.gz -C /usr/src/  
4. tar -vjxf gcc-4.5.2.tar.bz2 -C /usr/src/  

2、到自己的home目录下编译依赖库

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1. cd ~  
2. mkdir gmp-build  
3. cd gmp-build  
4. /usr/src/gmp-4.3.2/configure --prefix=/usr/local/gmp-4.3.2 #指定安装位置  
5. make  
6. make check  
7. make install  
8.   
9. cd ~  
10. mkdir mpfr-build  
11. cd mpfr-build  
12. /usr/src/mpfr-2.4.2/configure --prefix=/usr/local/mpfr-2.4.2 --with-gmp=/usr/local/gmp-4.3.2  
13. make  
14. make check  
15. make install  
16.   
17.   
18. cd ~  
19. mkdir mpc-build  
20. cd mpfr-build  
21. /usr/src/mpc-0.8.1/configure --prefix=/usr/local/mpc-0.8.1 --with-mpfr=/usr/local/mpfr-2.4.2 --with-gmp=/usr/local/gmp-4.3.2  
22. make  
23. make check  
24. make install  

3、编译GCC

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1. cd ~  
2. mkdir gcc-build  
3. cd gcc-build  
4. /usr/src/gcc-4.5.2/configure --prefix=/usr/local/gcc-4.5.2 --with-mpc=/usr/local/mpc-0.8.1 --with-mpfr=/usr/local/mpfr-2.4.2 --with-gmp=/usr/local/gmp-4.3.2 --enable-languages=c,c++  
5. make  
6. make install  

    漫长等待过后GCC就被安装到/usr/local/gcc-4.5.2目录下了，然后ln -s /usr/local/gcc-4.5.2/bin/gcc /usr/local/bin/gcc，最后gcc -v看看，版本号是不是换了？

二、源码组织

　　GCC的源代码文件非常多，总数大约有好几万。但是很多都是testsuite和lib。首先我们除去所有的testsuite目录，然后lib打头的目录也可以基本上不看，那是各程序语言的gcc版标准库和专为某种语言的编译而设计的库。我们只分析C语言的话，只用看其中的libcpp，它包含了C/C++的词法分析和预处理。剩下的GCC源代码大多集中在config、gcc两个目录下。

　　config目录是Makefile为各跨平台编译准备的配置目录。

　　gcc目录下除去gcc/config目录外的其他文件是各个语言的编译器前端源文件，一般放在各自语言命名的目录下，例如cp（C++）、java、fortran等。唯一例外的是C语言，它的前端源文件同GCC的通用文件（包括中间表示、中间优化等）一起，散放在gcc目录下。

　　gcc/config目录是gcc在各种硬件或操作系统平台下的后端源文件，负责把GCC生成的中间表示转换为各平台相关的机器码、字节码或其他目标语言。

　　那我们可以从gcc的源代码组织上大致看出gcc之所以能支持众多前端和后端的原因，它将各种语言的源文件按照各自的方法分析完之后，表示为由GENERIC、GIMPLE、RTL组成的统一的中间结构，再由各种后端将统一的结构转换为各自平台对应的目标语言。

词法分析

　　词法分析，通俗讲，就是给源文件断词。我们将源文件看作一个字符流，并交由词法分析器进行断词，词法分析器必须能够输出一个一个的词，也叫做记号（token），每个记号至少有三个属性：

1.值：即断出的那一段字符串

2.类型：关键字、标识符、文字常量、符号等

3.位置：这个记号在当前文件的第几行，用于报错。

　　在《编译原理》里面，词法分析是和NFA、DFA、正则表达式联系起来的，他们属于III型语言。根据词法定义，我们手头已经有很多工具可以实现词法分析器的自动构造，这些自动构造的代码无一例外的使用了DFA的概念，即构造出来的词法分析器一定是一个DFA，里面包含了初始状态、终结状态和状态的转移，而这些状态都是自动构造中抽象出来的符号或者数字，一般人很难看出这些状态在词法定义中的位置。所以这也是自动构造的缺点——贪图构造的方便，一定带来修改的成本。

　　而GCC的词法分析是手工构造的，实现在libcpp/lex.c文件中，其中最重要的那个函数是_cpp_lex_direct，他反应了GCC词法分析器的核心结构。代码很长，我只贴一点片段。

[cpp]  view plain copy

1.   switch (c)  
2.     {  
3.     case ' ': case '\t': case '\f': case '\v': case '\0':  
4.       result->flags |= PREV_WHITE;  
5.       skip_whitespace (pfile, c);  
6.       goto skipped_white;  
7.   
8.     case '\n':  
9.       if (buffer->cur < buffer->rlimit)  
10.     CPP_INCREMENT_LINE (pfile, 0);  
11.       buffer->need_line = true;  
12.       goto fresh_line;  
13.   
14.     case '0': case '1': case '2': case '3': case '4':  
15.     case '5': case '6': case '7': case '8': case '9':  
16.       {  
17.     struct normalize_state nst = INITIAL_NORMALIZE_STATE;  
18.     result->type = CPP_NUMBER;  
19.     lex_number (pfile, &result->val.str, &nst);  
20.     warn_about_normalization (pfile, result, &nst);  
21.     break;  
22.       }  
23.   
24.     case 'L':  
25.     case 'u':  
26.     case 'U':  
27.     case 'R':  
28.       /* 'L', 'u', 'U', 'u8' or 'R' may introduce wide characters, 
29.      wide strings or raw strings.  */  
30.       if (c == 'L' || CPP_OPTION (pfile, uliterals))  
31.     {  
32.       if ((*buffer->cur == '\'' && c != 'R')  
33.           || *buffer->cur == '"'  
34.           || (*buffer->cur == 'R'  
35.           && c != 'R'  
36.           && buffer->cur[1] == '"'  
37.           && CPP_OPTION (pfile, uliterals))  
38.           || (*buffer->cur == '8'  
39.           && c == 'u'  
40.           && (buffer->cur[1] == '"'  
41.               || (buffer->cur[1] == 'R' && buffer->cur[2] == '"'))))  
42.         {  
43.           lex_string (pfile, result, buffer->cur - 1);  
44.           break;  
45.         }  
46.     }  
47.       /* Fall through.  */  
48.   
49.     case '_':  
50.     case 'a': case 'b': case 'c': case 'd': case 'e': case 'f':  
51.     case 'g': case 'h': case 'i': case 'j': case 'k': case 'l':  
52.     case 'm': case 'n': case 'o': case 'p': case 'q': case 'r':  
53.     case 's': case 't':           case 'v': case 'w': case 'x':  
54.     case 'y': case 'z':  
55.     case 'A': case 'B': case 'C': case 'D': case 'E': case 'F':  
56.     case 'G': case 'H': case 'I': case 'J': case 'K':  
57.     case 'M': case 'N': case 'O': case 'P': case 'Q':  
58.     case 'S': case 'T':           case 'V': case 'W': case 'X':  
59.     case 'Y': case 'Z':  
60.       result->type = CPP_NAME;  
61.       {  
62.     struct normalize_state nst = INITIAL_NORMALIZE_STATE;  
63.     result->val.node.node = lex_identifier (pfile, buffer->cur - 1, false,  
64.                         &nst);  
65.     warn_about_normalization (pfile, result, &nst);  
66.       }  
67.   
68.       /* Convert named operators to their proper types.  */  
69.       if (result->val.node.node->flags & NODE_OPERATOR)  
70.     {  
71.       result->flags |= NAMED_OP;  
72.       result->type = (enum cpp_ttype) result->val.node.node->directive_index;  
73.     }  
74.       break;  
75.   
76.     case '\'':  
77.     case '"':  
78.       lex_string (pfile, result, buffer->cur - 1);  
79.       break;  
80.   
81.     case '/':  
82.       /* A potential block or line comment.  */  
83.       comment_start = buffer->cur;  
84.       c = *buffer->cur;  
85.         
86.       if (c == '*')  
87.     {  
88.       if (_cpp_skip_block_comment (pfile))  
89.         cpp_error (pfile, CPP_DL_ERROR, "unterminated comment");  
90.     }  
91.       else if (c == '/' && (CPP_OPTION (pfile, cplusplus_comments)  
92.                 || cpp_in_system_header (pfile)))  
93.     {  
94.       /* Warn about comments only if pedantically GNUC89, and not 
95.          in system headers.  */  
96.       if (CPP_OPTION (pfile, lang) == CLK_GNUC89 && CPP_PEDANTIC (pfile)  
97.           && ! buffer->warned_cplusplus_comments)  
98.         {  
99.           cpp_error (pfile, CPP_DL_PEDWARN,  
100.              "C++ style comments are not allowed in ISO C90");  
101.           cpp_error (pfile, CPP_DL_PEDWARN,  
102.              "(this will be reported only once per input file)");  
103.           buffer->warned_cplusplus_comments = 1;  
104.         }  
105.   
106.       if (skip_line_comment (pfile) && CPP_OPTION (pfile, warn_comments))  
107.         cpp_error (pfile, CPP_DL_WARNING, "multi-line comment");  
108.     }  
109.       else if (c == '=')  
110.     {  
111.       buffer->cur++;  
112.       result->type = CPP_DIV_EQ;  
113.       break;  
114.     }  
115.       else  
116.     {  
117.       result->type = CPP_DIV;  
118.       break;  
119.     }  
120.   
121.       if (!pfile->state.save_comments)  
122.     {  
123.       result->flags |= PREV_WHITE;  
124.       goto update_tokens_line;  
125.     }  
126.   
127.       /* Save the comment as a token in its own right.  */  
128.       save_comment (pfile, result, comment_start, c);  
129.       break;  
130.   
131.     case '<':  
132.       if (pfile->state.angled_headers)  
133.     {  
134.       lex_string (pfile, result, buffer->cur - 1);  
135.       if (result->type != CPP_LESS)  
136.         break;  
137.     }  
138.   
139.       result->type = CPP_LESS;  
140.       if (*buffer->cur == '=')  
141.     buffer->cur++, result->type = CPP_LESS_EQ;  
142.       else if (*buffer->cur == '<')  
143.     {  
144.       buffer->cur++;  
145.       IF_NEXT_IS ('=', CPP_LSHIFT_EQ, CPP_LSHIFT);  
146.     }  
147.       else if (CPP_OPTION (pfile, digraphs))  
148.     {  
149.       if (*buffer->cur == ':')  
150.         {  
151.           buffer->cur++;  
152.           result->flags |= DIGRAPH;  
153.           result->type = CPP_OPEN_SQUARE;  
154.         }  
155.       else if (*buffer->cur == '%')  
156.         {  
157.           buffer->cur++;  
158.           result->flags |= DIGRAPH;  
159.           result->type = CPP_OPEN_BRACE;  
160.         }  
161.     }  
162.       break;  
163.  //...还远远没完  
164. }  

　　这个switch是_cpp_token_direct函数的核心。它通过当前符号（switch(c)）来判断未来有哪些可能，如果只有一种可能,就调用对应的处理函数把接下来的字符都处理掉，例如前三组case。如果有多种可能，那么就预读下一个字符（*buffer->cur）来确定到底是那种可能。我粗略扫了一下这个switch，貌似没有预读下下个字符。因此这是一个典型的LL(2)分析法，它通过读取最多头两个字符来决定后面的若干个字符是个怎样类型的组合，从而调用这种类型的记号生成函数来生成记号，并把已经读取的位置记录在cpp_reader类型的参数里，以供下一次继续分析。

　　有人可能会觉得奇怪，LL(2)不是语法分析算法吗，怎么用来进行词法分析？我们知道，《编译原理》里的语法分析指的是上下文无关文法的分析法，而上下文无关文法属于II型文法，自然兼容III型文法。II型文法和III型文法的分析器区别就是前者的分析器带堆栈，后者的不带，所以前者更加强大，支持递归。但是看完_cpp_token_direct函数，我们没有发现它使用了堆栈，那是因为用正则语言本来就不需要堆栈，如果真的要用LL来分析，只需要一个栈顶空间，因此在手工实现的时候，这个栈的实现就免了，直接用已经读出的那个字符c和即将要读出的*buffer->cur的空间就行了。

　　手工实现的最大好处是不拘于理论的条条框框，可随意发挥。这种随意性可能也是缺点，那就是代码看起来乱糟糟的。但是对于GCC的词法分析来讲，却是必须的。举一个最简单的例子就明白了：

[html]  view plain copy

1. template<typename T> T construct(size_t size);  
2. vector<int> v = construct<vector<int>>(10);  

　　看到这，大家肯定就明白了，这是C++最经典的词法bug，就是那个“>>”，如果中间没有空格，它会被整体当作算术右移符号，从而产生莫名其妙的错误：“error: '>>' should be '> >' within a nested template argument list”。这个bug在DFA上是很难消除的，因为一个状态机只要情况允许，总是尽可能的进行状态迁移，这本身就是一种贪婪思想。如果总是将右移符号看作两个反括号，那么上面这个例子就可以通过了，但是如果遇到 a > > 10（中间带空格），那也会被识别为右移符号，尽管写代码的人可能也是这么想的，但是这违反了C++的标准！

　　手工实现的词法分析器可以避免这个问题，就是加入一个判断标志来判断是否在识别一个模板参数，如果是则分离，否则就作为右移符号。在gcc-4.5.2中我没有看到类似的处理，因此这个版本的gcc还没有修正这个bug。但是手工构造的词法分析器使得解决这个bug成为可能。而加入这个标志位则表示，该词法不在是一个III型文法，而是一个I型文法，即上下文相关文法，理论上来说应该比上下文无关文法更加复杂，但是如果就事论事的话，也不那么复杂。这就是理论与实践的差距。

　　C语言的词法分析还包含对源文件的预处理（preprocessing），也就是处理宏的定义与替换。_cpp_lex_direct是被_cpp_lex_token函数调用的，而_cpp_lex_token的作用除了调用词法分析之外，还负责执行宏定义。宏的分类处理是在libcpp/directives.c中实现的，实际的处理动作是在libcpp/macro.c中实现的，cpp_get_token也是在这里定义的，这就是词法分析器对外的接口了。外界得到的token就是已经预处理过的，因此预处理过程对语法分析来说是透明的。

语法分析

　　C语言的语法分析器实现在gcc/c-parser.c中。这个文件的函数很多，但是如果仔细研读过C语言标准的话，这些函数就非常好理解，因为里面用到的名词和标准都是对应的，并且注释里面有大量从标准中摘抄的文法定义片段。

　　首先在这个文件的前面有几个token相关的函数，那是对词法分析器的一个包装，加入了一个token缓存，把所有peek过一次的token加入到缓存中，下次get或者peek就从缓存中读。缓存的作用一个是加速，另一个是弥补词法分析器无法支持unget的缺陷。

　　该文件的起始函数是实现在文件末尾的void c_parse_file(void)。它调用了c_parser_translation_unit()，然后按照文法定义一直递归调用下去。因此这是一个典型的递归下降分析法。

　　递归下降分析法的优点是手工实现非常容易，代码直观简单，可以和文法定义一一对应上来，缺点是能力有限。而自底向上的分析法（SLR、LR、LALR）刚好相反，能力强大，但是代码非常不直观，他们也是把文法定义分为一个一个的状态，用状态迁移来表示分析过程，而这些状态用肉眼看真的是相当吃力。但是就C++来说，真的要用LR来分析，也不一定是件简单事。那么GCC是如何克服分析法的能力限制的呢？

　　道理其实和词法分析一样，那就是加上下文标志位，并给每个已经的语法结构进行类型分析。前一个措施把上下文无关文法放到上下文相关分析中，逻辑自然简化一些；后一个措施就是解决标准定义的冲突问题。例如同样是identifier，可以归约为type-name、declarator-id、id-expression等等，如果这个identifier前面已经分析过，那么自然可以根据前面的分析结果进行判断；如果这个identifier第一次见到，那么就得根据上下文来判断这个identifier最有可能是个什么东西。

　　所以还是那句话，理论和实践是有差距的。通过这两项措施，使得递归下降的分析能力不弱于一般的LR分析法。

　　C语言的语法分析从c_parser_translation_unit开始，往下调用c_parser_declaration_or_fndef。这是一个关键函数，因为我们知道，C语言源文件里，在文件层次上只有两个类对象需要处理：non-function-declaration和function-declaration。在C语言里，函数声明也应该算是一种声明，但是它很特殊，因为它包含有对编译器来说最重要的东西：计算流程。而其他的声明只用作类型检查。

　　在c_parser_declaration_or_fndef函数里有两个分支，一个处理非函数声明，最后总是调用到了finish_decl函数，而另一个分支用来处理函数声明，最后总是调用到了finish_function函数，这两个函数都实现在c-decl.c文件中。这两个函数开启了接下来的工作：中间层翻译。

[1] GNU Compiler Collection Internals

三、前言

　　很忙，很久没更新博客了，继续没写完的gcc分析，争取在传说将要用C++重写的gcc 5出来之前初略分析完。

符号表（GENERIC）

　　前篇介绍了gcc的语法分析，在语法分析过程中，所有识别出来的语言部件都用一个叫TREE的变量保存着。这个TREE就是gcc语法树，叫做GENERIC。实际上它也是gcc的符号表，因为变量名、类型等等这些信息都由TREE关联起来。

　　GENERIC的节点都定义在gcc/tree.h头文件里。它将GENERIC按类别分为若干类：

[cpp]  view plain copy

1. enum tree_code_class {  
2.   tcc_exceptional, /* An exceptional code (fits no category).  */  
3.   tcc_constant,    /* A constant.  */  
4.   /* Order of tcc_type and tcc_declaration is important.  */  
5.   tcc_type,        /* A type object code.  */  
6.   tcc_declaration, /* A declaration (also serving as variable refs).  */  
7.   tcc_reference,   /* A reference to storage.  */  
8.   tcc_comparison,  /* A comparison expression.  */  
9.   tcc_unary,       /* A unary arithmetic expression.  */  
10.   tcc_binary,      /* A binary arithmetic expression.  */  
11.   tcc_statement,   /* A statement expression, which have side effects 
12.               but usually no interesting value.  */  
13.   tcc_vl_exp,      /* A function call or other expression with a 
14.               variable-length operand vector.  */  
15.   tcc_expression   /* Any other expression.  */  
16. };  

每个TREE除了有类别，还有自己的类型：

[cpp]  view plain copy

1. enum tree_code {  
2. #include "all-tree.def"  
3. MAX_TREE_CODES  
4. };  

这个all-tree.def是编译期自动生成的文件，主要来源于tree.def文件，还包含一些其它语言特定的TREE类型。每个TREE变量代表一个节点。

　　每个TREE变量 t 都可以通过 TREE_CODE_CLASS(t) 宏获取类别，或者通过TREE_CODE(t) 宏获取类型，由此知道这个TREE是指的啥。gcc/tree.h里定义了绝大多数对TREE的操作（宏和函数），比如获取某个TREE的类型：TREE_TYPE(t)，通过它可以获取函数的原型、原型的返回值、指针或数组的类型等等；还有const char *get_name(TREE t)，获取TREE的名字，如果这个TREE代表一个变量，那么它就返回变量名。具体每种节点类型具有哪些属性可以去查GCC Internals。

控制流图（Control Flow Graph）

　　每个函数翻译为GENERIC的语法树之后，会进行gimplification（gimple化，gimple在下节介绍），在这一过程中函数的语法树被翻译为了控制流图的形式。每个函数对应一个控制流图。

　　控制流由基本块（Basic Block）组成。每个基本块具有一串指令序列，并且只能有一个入口和一个出口，因此在这个序列内部不允许存在跳转。gcc对基本块的操作主要定义在gcc/basic-block.h里，比如常用的基本块的遍历：

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1. /* For iterating over basic blocks.  */  
2. #define FOR_BB_BETWEEN(BB, FROM, TO, DIR) \  
3.   for (BB = FROM; BB != TO; BB = BB->DIR)  
4.   
5. #define FOR_EACH_BB_FN(BB, FN) \  
6.   FOR_BB_BETWEEN (BB, (FN)->cfg->x_entry_block_ptr->next_bb, (FN)->cfg->x_exit_block_ptr, next_bb) // for循环遍历链表。  
7.   
8. #define FOR_EACH_BB(BB) FOR_EACH_BB_FN (BB, cfun) // cfun就是current_function_decl，是一个TREE  

basic block在控制流中以链表的形式存放，它们由edge组成逻辑意义上的图。gcc提供了对每个基本块相关的边进行遍历的宏：

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1. #define FOR_EACH_EDGE(EDGE,ITER,EDGE_VEC)   \ // 前两个参数的类型分别是edge和edge_iterator，是出参  
2.   for ((ITER) = ei_start ((EDGE_VEC));      \ // 最后一个是入参，要么是bb->preds(入边集合)，要么是bb->succs（出边集合）  
3.        ei_cond ((ITER), &(EDGE));       \  
4.        ei_next (&(ITER)))  

每个edge有flags标志位，用来判别边的类型，它决定了跳转的方式（条件、无条件等等）

GIMPLE和RTL

　　gimple和RTL是gcc用来表示指令的两种形式。因此每个基本块都包含有两组指令序列，一组是gimple指令，一组是RTL指令。每个函数将首先被gimple化，此时基本块里只包含gimple指令，之后由gimple生成RTL。

　　gimple是一种包含最多三个操作数的中间指令，也就是编译原理里讲的四元码（三个操作数，一个操作符），基本上也就是 dst = src1 @ src2 的这种形式。由于gimple最多只能对两个操作数进行计算，因此一个复杂的表达式会展开为一系列的gimple指令，这一过程就是gimple化。gimple化的代码实现在gcc/gimplify.c中，核心的思想就是对语法树进行后序遍历，对每个非叶子节点生成一条gimple指令，自动生成必要的中间变量，并正确识别出基本块，从而生成完整的控制流。

　　从源码来看，语法分析中，每分析完一个函数，就会调用finish_function，它又会调用cgraph_finalize_function将函数添加到cgraph里，只有这个函数被调用才会继续处理它。分析整个文件后，compile_file()函数会调用一个hook：

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1. /* This must also call cgraph_finalize_compilation_unit.  */  
2. lang_hooks.decls.final_write_globals ();  

这个hook实际上是write_global_declarations() （in gcc/langhooks.c），它会调用注释中提到的 cgraph_finalize_compilation_unit() 函数，接下来就是这样的调用关系：

write_global_declarations()
    cgraph_finalize_compilation_unit()
        cgraph_analyze_function()
            gimplify_function_tree() -> gimplification。
            cgraph_lower_function() -> lowering
        cgraph_optimize() -> 优化

　　在所有针对gimple的优化完成后，有一个叫做pass_expand的步骤，它将gimple展开为RTL。RTL是一种相对底层的指令，如果说gimple的重点在于控制流和数据流这种逻辑结构的话，那么RTL的重点就在数据和控制的精确描述。通过RTL可以将操作数的长度、对齐、操作的类型、副作用等信息表述出来，从而有利于自动化地进行最后的指令生成。

　　RTL的指令在gcc中称之为insn，insn是有语法和语义的，它被gcc的生成工具所识别和处理，并生成对应的.c文件作为gcc的一部分一同编译到gcc的执行文件中。这部分的细节在后序篇幅中再做介绍。

总结

　　GENERIC、GIMPLE和RTL三者构成了gcc中间语言的全部，它们以GIMPLE为核心，由GENERIC承上，由RTL启下，在源文件和目标指令之间的鸿沟之上构建了一个三层的过渡。接下来，gcc的工作就是对中间语言进行平台无关优化。有关gcc优化的框架将在下一篇介绍。

四、前言

本篇只介绍一下框架，就不具体介绍每个步骤了。

Pass框架

上一篇已经讲了gcc的中间语言的表现形式。gcc 对中间语言的每一步处理叫做一个pass。从一个函数的GENERIC树刚被转换为GIMPLE之后，接下来的工作就由一连串的pass来完成。这些pass环环相扣，最终完成整个程序的优化工作，为目标代码生成做最后的准备。

GCC的pass结构定义在gcc/tree-pass.h头文件中：

[cpp]  view plain copy

1. /* Optimization pass type.  */  
2. enum opt_pass_type // 四种pass类型对应的枚举  
3. {  
4.   GIMPLE_PASS,  
5.   RTL_PASS,  
6.   SIMPLE_IPA_PASS,  
7.   IPA_PASS  
8. };  
9.   
10. /* Describe one pass; this is the common part shared across different pass 
11.    types.  */  
12. struct opt_pass // pass的基本结构  
13. {  
14.   /* Optimization pass type.  */  
15.   enum opt_pass_type type;  
16.   
17.   /* Terse name of the pass used as a fragment of the dump file 
18.      name.  If the name starts with a star, no dump happens. */  
19.   const char *name; // pass名字  
20.   
21.   /* If non-null, this pass and all sub-passes are executed only if 
22.      the function returns true.  */  
23.   bool (*gate) (void); // 是否应该执行此pass？  
24.   
25.   /* This is the code to run.  If null, then there should be sub-passes 
26.      otherwise this pass does nothing.  The return value contains 
27.      TODOs to execute in addition to those in TODO_flags_finish.   */  
28.   unsigned int (*execute) (void); // 执行此pass！  
29.   
30.   /* A list of sub-passes to run, dependent on gate predicate.  */  
31.   struct opt_pass *sub; // 子pass。如果此pass被关闭，子pass也被一起关闭。  
32.   
33.   /* Next in the list of passes to run, independent of gate predicate.  */  
34.   struct opt_pass *next; // 后面的pass。  
35.   
36.   /* Static pass number, used as a fragment of the dump file name.  */  
37.   int static_pass_number; // 一个唯一的pass号  
38.   
39.   /* The timevar id associated with this pass.  */  
40.   /* ??? Ideally would be dynamically assigned.  */  
41.   timevar_id_t tv_id; // 一个唯一的ID。  
42.   
43.   /* Sets of properties input and output from this pass.  */  
44.   unsigned int properties_required; // 这些是要被检查的property  
45.   unsigned int properties_provided;  
46.   unsigned int properties_destroyed;  
47.   
48.   /* Flags indicating common sets things to do before and after.  */  
49.   unsigned int todo_flags_start;  // 这些是在执行此pass之前/之后的附加动作  
50.   unsigned int todo_flags_finish;  
51. };  

opt_pass的成员都很好理解，重点就在gate和execute两个函数。这两个函数都没有参数。如果该pass是用来处理函数，参数通过全局变量 current_function_decl 和 cfun 传入，前者是当前function的GENERIC树节点；后者是一个function结构体，里面包含了这个函数相关的全部信息（控制流，GENERIC，GIMPLE，等等）。

之后用继承的方式定义了四个pass的子类型：

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1. struct gimple_opt_pass // gimple pass  
2. {  
3.   struct opt_pass pass;  
4. };  
5. struct rtl_opt_pass // rtl pass  
6. {  
7.   struct opt_pass pass;  
8. };  
9. struct ipa_opt_pass_d // ipa pass  
10. {  
11.   struct opt_pass pass;  
12.   
13.   /* IPA passes can analyze function body and variable initializers 
14.       using this hook and produce summary.  */  
15.   void (*generate_summary) (void); // 分析函数体和全局变量的初始化过程  
16.   
17.   /* This hook is used to serialize IPA summaries on disk.  */  
18.   void (*write_summary) (struct cgraph_node_set_def *); // 将ipa summary写入磁盘  
19.   
20.   /* For most ipa passes, the information can only be deserialized in 
21.      one chunk.  However, function bodies are read function at a time 
22.      as needed so both calls are necessary.  */  
23.   void (*read_summary) (void);  // 从磁盘读取ipa summary，下同  
24.   void (*function_read_summary) (struct cgraph_node *);  
25.   /* Hook to convert gimple stmt uids into true gimple statements.  The second 
26.      parameter is an array of statements indexed by their uid. */  
27.   void (*stmt_fixup) (struct cgraph_node *, gimple *); // 语句修复  
28.   
29.   /* Results of interprocedural propagation of an IPA pass is applied to 
30.      function body via this hook.  */  
31.   unsigned int function_transform_todo_flags_start;  
32.   unsigned int (*function_transform) (struct cgraph_node *); // 函数变形  
33.   void (*variable_transform) (struct varpool_node *); // 变量变形  
34. };  
35.   
36. struct simple_ipa_opt_pass // simple ipa pass  
37. {  
38.   struct opt_pass pass;  
39. };  

这四种pass，只有ipa pass比较特殊，其他的除了类型不一样之外，其余都一样。当然，在初始化对应结构体时，opt_pass::type必须用对应的枚举来初始化。最后一种ipa pass区别于simple ipa pass，叫做regular ipa pass，在后面进一步介绍。

大部分常用的pass都实现在gcc目录下的某些文件中，这些文件的特点是声明了一个全局的xxx_pass结构体变量，而这些变量在tree-pass.h中用extern声明一遍，并在passes.c中的 init_optimizations() 函数中串在一起。该函数通过使用NEXT_PASS()宏，初始化了5串pass：

[cpp]  view plain copy

1. /* The root of the compilation pass tree, once constructed.  */  
2. extern struct opt_pass *all_passes, *all_small_ipa_passes, *all_lowering_passes,  
3.                        *all_regular_ipa_passes, *all_lto_gen_passes;  

他们被调用的顺序和被初始化的顺序是一致的：all_lowering_passes -> all_small_ipa_passes -> all_regular_ipa_passes -> all_lto_gen_passes -> all_passes。他们所作的事情大致如下：

all_lowering_passes：降级GIMPLE，从GIMPLE生成控制流图，内联形参...

all_small_ipa_passes：内联函数(early inline)，内联形参，重建cgraph边，重建函数属性，建立SSA，复写传播(copy propagation)，清理...

all_regular_ipa_passes：内联函数(inline)，常量判定(pure const)，Escape分析，进程间Point-to分析（IPA PTA）...

all_lto_gen_passes：Link time optimization...

all_passes：exception handling，GIMPLE优化（SSA优化，dead call，别名分析，if合并，循环优化等等），GIMPLE->RTL，RTL优化（复写传播，dead call，寄存器合并，条件跳转优化等等）清理...

其中 all_regular_ipa_passes和all_lto_gen_passes都是regular ipa pass，all_small_ipa_passes就是simple ipa pass，all_lowering_passes都是gimple pass，all_passes是由gimple pass和rtl pass组成。

三大类Pass

3.1、GIMPLE Pass

所有的Lowering pass和前半部分优化都是gimple pass。gimple pass可以遍历当前函数的全部gimple语句。Lowering pass中的控制流生成之前，gimple pass只能从cfun里遍历全部的gimple，因为此时它们还没有被组织成控制流图的形式，之后的gimple pass就可以使用FOR_EACH_BB这样的宏逐块扫描gimple语句。

3.2、RTL Pass

RTL pass基本上是优化的后半部分。由于RTL有寄存器、字长等GIMPLE没有的底层概念，因此属于底层优化，侧重点也不同。RTL pass也可以使用FOR_EACH_BB对控制流进行遍历，但是用FOR_BB_INSNS对基本块中的insn进行处理，而gimple pass是通过gsi_start_bb来获取gimple语句列表。

3.3、IPA Pass

IPA的全称是Inter-Procedural Analysis。在gcc里它有两层意思：一个是跨函数的分析，一个是全局变量（夹在函数间的变量）的分析。IPA所使用的工具是cgraph（call graph，调用图）。调用图记录了函数之间的调用关系。进程间分析的重点就是函数间的变量传递（参数）和依赖关系（全局变量，调用关系）。

IPA pass在每次执行时也只是针对一个函数，因此它在执行时也可访问 current_function_decl 和 cfun，并通过它们获取对应的cgraph_node，由此可以得到当前函数与cgraph里的其他函数之间的关系。与此同时，gcc将全局变量存放在varpool_nodes里，这也是cgraph的一部分。

Pass的执行

Pass被Pass管理器执行。执行每一个pass的代码实现在gcc/passes.c里。

4.1 几个特殊的pass

在gcc/tree-optimize.c中定义了几个特殊的pass，他们的作用如下：

pass_all_optimizations ：它是进程内优化pass的第一个pass，也是他们的父pass。它只有gate函数，只做开关之用。

pass_early_local_passes：它是all_small_ipa_passes的后半部分，属于IPA优化部分。它是IPA优化的开关。

pass_all_early_optimizations：它是pass_early_local_passes的一部分，除了做开关，还负责更新cgraph_state。cgraph允许任意时刻添加函数，但是如果在pass的后段添加函数，而这个函数没有被之前的pass处理过，那就有问题，因此cgraph会根据当前的状态来决定是否要对这个函数追加执行之前的pass。

pass_cleanup_cfg，pass_cleanup_cfg_post_optimizing和pass_fixup_cfg：在不同阶段清理控制流图，它是独立的pass，没有gate（默认执行）。

pass_init_datastructures：初始化所有SSA结构，为转换SSA做准备。

4.2 Pass的执行顺序

上一篇大致讲到了Lowering在Optimization之前。在这里，我详细列出他们的调用关系：

    cgraph_finalize_compilation_unit()
        cgraph_analyze_functions()
            cgraph_analyze_function()
                gimplify_function_tree() -> gimplification。
                cgraph_lower_function() -> lowering
            cgraph_optimize()
                ipa_passes() 
                   if (!in_lto_p) execute_ipa_pass_list (all_small_ipa_passes); -> small IPA execute
                   if (!in_lto_p) execute_ipa_summary_passes(all_regular_ipa_passes) -> regular IPA summary
                   execute_ipa_summary_passes (all_lto_gen_passes); -> lto summary
                   if (!flag_ltrans) execute_ipa_pass_list (all_regular_ipa_passes); -> regular IPA (include LTO) execute
                cgraph_expand_all_functions()
                   cgraph_expand_all_function()
                      tree_rest_of_compilation()
                        execute_all_ipa_transforms() -> regular IPA transform (include LTO) transform
                        execute_pass_list (all_passes) -> 进程内优化

4.3 普通Pass的执行

普通的pass由gcc/passes.c中的execute_one_pass()函数来负责调用。该函数的代码就不贴了，具体来说，它是这么来调用每个普通pass的：

1. 检查gate：gate_status = (pass->gate == NULL) ? true : pass->gate();
2. plugin复查gate：invoke_plugin_callbacks (PLUGIN_OVERRIDE_GATE, &gate_status);
3. 如果不需要执行，就退出。
4. 通知plugin准备execute：invoke_plugin_callbacks (PLUGIN_PASS_EXECUTION, pass);
5. 执行pass预定的TODO list：execute_todo (pass->todo_flags_start);
6. 检查函数的property是否和pass的相符：do_per_function (verify_curr_properties,  (void *)(size_t)pass->properties_required);
7. 执行pass：todo_after = pass->execute ();
8. 执行pass指定的结束TODO list：execute_todo (todo_after | pass->todo_flags_finish);
9. 如果是regular IPA Pass，记录该pass到当前函数的IPA Transform列表中。

还有一些debug用的dumpfile操作就不提了。

4.3 Regular IPA Pass的执行

执行Regular IPA Pass的函数就不再作详细介绍了，他们的执行流程被分散为3轮，每一轮的步骤都差不多，而且比普通pass的执行过程简单。

每个IPA pass都有三次机会来执行。generate_summaries() -> execute() -> function_transform()。前两次机会基本都差不多，都是用来扫描和准备参数，最后一次机会就是对cgraph实施改变。比如pass_ipa_inline，在generate_summaries里面计算所有函数的大小，在execute里面根据大小和其他信息来判定哪些函数可以内联，在transform里面对所有标记为内联的函数进行内联，并更新cgraph。

尽管如此，generate_summaries() 和 execute() 还是有作用上的区别。由于前者先执行，而后者是否执行被gate()控制，并且transform是按照每个函数上挂载的ipa_pass 列表来执行，如果execute不执行的话，该pass也不会被挂载到当前函数上，因此 generate_summaries() 可以用来通过 gate() 控制后两者是否被执行。

之后

执行完所有Pass之后，gcc就进入了最后的阶段：目标代码生成。敬请期待下篇。

五、前言

　　又有好久没写了，的确很忙。前篇介绍了GCC的pass格局，它是GCC中间语言部分的核心架构，也是贯穿整个编译流程的核心。在完成优化处理之后，GCC必须做的最后一步就是生成最后的编译结果，通常情况下就是汇编文件（文本或者二进制并不重要）。

　　前面也讲到了，GCC中间语言的核心数据结构是GENERIC、GIMPLE和RTL。其中的RTL就是和指令紧密相关的一种结构，它是指令生成的起点。

RTL和INSN

2.1 什么是RTL，什么是INSN

　　RTL叫做寄存器转移语言（Register Transfering Language）。说是寄存器，其实也包含内存操作。RTL被设计成一种函数式语言，由表达式和对象构成。其中对象指的是寄存器、内存和值（常数或者表达式的值），表达式就是对对象和子表达式的操作。这些在gcc internal里面都有介绍。

　　RTL对象和操作组成RTL表达式，子表达式加上操作组成复合RTL表达式。当一个RTL表达式表示一条中间语言指令时，这个RTL表达式叫做INSN。RTL表达式（RTL Expression）在gcc代码中缩写为RTX，代码中的rtx类型就是指向RTL表达式的指针。所以insn就是rtx，但是rtx不一定是insn。

2.2 INSN的生成

　　RTL是由gimple生成的，从gimple到RTL的转换叫做“expand”。在整个优化的pass链中，这一步由pass_expand完成。该pass实现在gcc/cfgexpand.c中。它的execute函数gimple_expand_cfg很长，但是核心工作是对每个basic block进行转换：

[cpp]  view plain copy

1. FOR_BB_BETWEEN (bb, init_block->next_bb, EXIT_BLOCK_PTR, next_bb)  
2.   bb = expand_gimple_basic_block (bb);  

expand_gimple_basic_block会调用expan_gimple_stmt来展开每一个gimple语句，并将展开后的rtx连接在一起。首先就有一个问题：insn是怎么生成的？

　　此外，每个expand_xxx函数只负责一部分工作，有些函数有rtx类型的返回值，有些函数没有返回值。那些有返回值的函数通常也不会有变量来保存它们返回的insn。那么就有另外一个问题：那些展开的insn到哪里去了？

　　为了弄清楚这两个问题，首先要找到生成insn的地方。这是一项工程浩大的体力活，不妨从某个点来研究这个问题，比如就从函数调用的语句来入手吧。我们可以从expand_gimple_basic_block开始顺藤摸瓜，来看看一个GIMPLE_CALL是如何翻译成insn的。

　　首先，expand_gimple_basic_block里有一个对basic block里的gimple statement的遍历循环，在这个循环里面，首先判断了一些特殊的情况，比如debug之类的，忽略之。直到循环最后一部分才进入正题：

[cpp]  view plain copy

1.  if (is_gimple_call (stmt) && gimple_call_tail_p (stmt)) // 尾调用，特殊情况，忽略之  
2.    {  
3.      bool can_fallthru;  
4.      new_bb = expand_gimple_tailcall (bb, stmt, &can_fallthru);  
5.      if (new_bb)  
6. {  
7.   if (can_fallthru)  
8.     bb = new_bb;  
9.   else  
10.     return new_bb;  
11. }  
12.    }  
13.  else  
14.    {  
15.      def_operand_p def_p;  
16.      def_p = SINGLE_SSA_DEF_OPERAND (stmt, SSA_OP_DEF);  
17.   
18.      if (def_p != NULL)  
19. {  
20.   /* Ignore this stmt if it is in the list of 
21.      replaceable expressions.  */  
22.   if (SA.values  
23.       && bitmap_bit_p (SA.values,  
24.                SSA_NAME_VERSION (DEF_FROM_PTR (def_p))))  
25.     continue;  
26. }  
27.      last = expand_gimple_stmt (stmt); //<strong> </strong>这是真正干活的地方  
28.      maybe_dump_rtl_for_gimple_stmt (stmt, last);  
29.    }  

　　进入到expand_gimple_stmt里面，这个函数不长，一眼可以看出来，核心是expand_gimple_stmt_1 (stmt);，这个函数分情况展开了stmt。其中GIMPLE_CALL对应的是expand_call_stmt。这个函数也不长，关键在最后。

[cpp]  view plain copy

1. if (lhs)  
2.   expand_assignment (lhs, exp, false); // lhs = func(args)  
3. else  
4.   expand_expr_real_1 (exp, const0_rtx, VOIDmode, EXPAND_NORMAL, NULL); // func(args)  

　　gimple call语句形如 lhs = func ( args ); 。其中，lhs是可以没有的。所以如果存在lhs的话，就按赋值语句展开。否则的话就按表达式展开。赋值语句的右边也是表达式，因此按赋值语句展开最终也会将“func(args)”部分按表达式展开。

　　expand_gimple_expr_1函数很长，因为要处理的表达式类型比较多。其中我们关注的是case CALL_EXPR:分支：

[cpp]  view plain copy

1.    case CALL_EXPR:  
2.      /* All valid uses of __builtin_va_arg_pack () are removed during 
3.  inlining.  */  
4.      if (CALL_EXPR_VA_ARG_PACK (exp))  
5. error ("%Kinvalid use of %<__builtin_va_arg_pack ()%>", exp);  
6.      {  
7. tree fndecl = get_callee_fndecl (exp), attr;  
8.   
9. if (fndecl  
10.     && (attr = lookup_attribute ("error",  
11.                  DECL_ATTRIBUTES (fndecl))) != NULL)  
12.   error ("%Kcall to %qs declared with attribute error: %s",  
13.      exp, identifier_to_locale (lang_hooks.decl_printable_name (fndecl, 1)),  
14.      TREE_STRING_POINTER (TREE_VALUE (TREE_VALUE (attr))));  
15. if (fndecl  
16.     && (attr = lookup_attribute ("warning",  
17.                  DECL_ATTRIBUTES (fndecl))) != NULL)  
18.   warning_at (tree_nonartificial_location (exp),  
19.           0, "%Kcall to %qs declared with attribute warning: %s",  
20.           exp, identifier_to_locale (lang_hooks.decl_printable_name (fndecl, 1)),  
21.           TREE_STRING_POINTER (TREE_VALUE (TREE_VALUE (attr))));  
22.   
23. /* Check for a built-in function.  */  
24. if (fndecl && DECL_BUILT_IN (fndecl))  
25.   {  
26.     gcc_assert (DECL_BUILT_IN_CLASS (fndecl) != BUILT_IN_FRONTEND);  
27.     return expand_builtin (exp, target, subtarget, tmode, ignore); // 内置函数  
28.   }  
29.      }  
30.      return expand_call (exp, target, ignore); // 普通函数  

　　内置函数有内置函数的展开方法，这个以后有机会再讲。这里还是分析一下普通函数。前面的那个if 是用来检查的，展开是由expand_call函数来完成。这个函数相当长，因为函数的参数、堆栈等等事务很繁琐。但是至少可以确定的是，一句普通的函数调用绝对不是一个简单的insn能实现的，它应该对应了一串insn，而且至少包括压栈、调用、退栈这三部分。那么这一串insn在哪里？

　　为了弄清楚这一串insn在代码中的哪个地方，就必须提到start_sequence ()、get_insns()、end_sequence()这三个没有参数的函数。第一个函数开启了一个新的insn sequence，第二个函数获取这个sequence的第一个insn，因为sequence是双链表，所以由第一个insn就可以访问到后面的所有insn。最后一个函数关闭这个sequence，之后就不能再通过emit_xxx往这个sequence里面插入insn了。原因现在还说不清楚，因为这个跟第二个问题相关，就是insn去哪里了？

　　那么insn到哪里去了？在expand_call这个函数最后就有答案：

[cpp]  view plain copy

1. /* If tail call production succeeded, we need to remove REG_EQUIV notes on 
2.    arguments too, as argument area is now clobbered by the call.  */  
3. if (tail_call_insns)  
4.   {  
5.     emit_insn (tail_call_insns); // 尾调用的rtx  
6.     crtl->tail_call_emit = true;  
7.   }  
8. else  
9.   emit_insn (normal_call_insns); // 正常调用的rtx  
10.   
11. currently_expanding_call--;  
12.   
13. if (stack_usage_map_buf)  
14.   free (stack_usage_map_buf);  
15.   
16. return target;  

　　所谓尾调用就相当于 return tail_call(...);。这个是有专门优化的。但不管怎么优化，最后的insn被发射（emit）了：

[cpp]  view plain copy

1. rtx  
2. emit_insn (rtx x)  
3. {  
4.   rtx last = last_insn;  
5.   rtx insn;  
6.   
7.   if (x == NULL_RTX)  
8.     return last;  
9.   
10.   switch (GET_CODE (x))  
11.     {  
12.     // 忽略那些特殊的case  
13.     default:  
14.       last = make_insn_raw (x);  
15.       add_insn (last); // 这里  
16.       break;  
17.     }  
18.   
19.   return last;  
20. }  
21. void  
22. add_insn (rtx insn) // 一个标准的双链表插入算法  
23. {  
24.   PREV_INSN (insn) = last_insn;  
25.   NEXT_INSN (insn) = 0;  
26.   
27.   if (NULL != last_insn)  
28.     NEXT_INSN (last_insn) = insn;  
29.   
30.   if (NULL == first_insn)  
31.     first_insn = insn;  
32.   
33.   last_insn = insn;  
34. }  

其中first_insn和last_insn是宏定义：

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1. #define first_insn (crtl->emit.x_first_insn)  
2. #define last_insn (crtl->emit.x_last_insn)  
3.   
4. /* Datastructures maintained for currently processed<strong> function</strong> in RTL form.  */  
5. struct rtl_data x_rtl;  
6.   
7. // 在function.h中定义的宏  
8. #define crtl (&x_rtl)  

　　原来，生成的insns被插入了当前函数的insn链表中。这个链表包含了当前函数的所有insn，而且是按存储顺序存放的。如果有跳转的话，会有对应的jump insn和label insn。如果把insn就看作是汇编的话，这个链表其实就是“汇编”序列了。

　　ok，回到前面提到的start_sequence/get_insns/end_sequence这一组函数。由于emit_xxx函数都是向first_insn/last_insn插入，而新的sequence也要借助于emit_xxx来插入，也就是说在start_sequence和end_sequence这两个调用中间，所有的emit_xxx必须向这个sequence发射insn。方法只有一个：那就是让first_insn/last_insn指向当前正在构建的sequence，当这个sequence构建完成之后，再把它还原。（相当笨拙而无奈的设计，因为emit_xxx数量众多，不容得罪）

　　至此，insn去哪里的问题解决了，但是第一个问题还在：insn如何被构建出来的？继续顺藤摸瓜。在expand_call函数中，有一句特别显眼：

[cpp]  view plain copy

1.  /* Generate the actual call instruction.  */  
2.  emit_call_1 (funexp, exp, fndecl, funtype, unadjusted_args_size,  
3. adjusted_args_size.constant, struct_value_size,  
4. next_arg_reg, valreg, old_inhibit_defer_pop, call_fusage,  
5. flags, & args_so_far);  

　　看不懂代码，看注释也明白了，这不就是生成一个call insn吗？进入看看：

[cpp]  view plain copy

1. #if defined (HAVE_call) && defined (HAVE_call_value)  
2.   if (HAVE_call && HAVE_call_value)  
3.     {  
4.       if (valreg)  
5.     emit_call_insn (GEN_CALL_VALUE (valreg,  
6.                     gen_rtx_MEM (FUNCTION_MODE, funexp),  
7.                     rounded_stack_size_rtx, next_arg_reg,  
8.                     NULL_RTX));  
9.       else  
10.     emit_call_insn (GEN_CALL (gen_rtx_MEM (FUNCTION_MODE, funexp),  
11.                   rounded_stack_size_rtx, next_arg_reg,  
12.                   GEN_INT (struct_value_size)));  
13.     }  
14.   else  
15. #endif  

　　这只是emit_call_1的一小部分。gen_rtx_MEM就是创建一个内存地址对应的rtx，这里用来获取被调用的函数地址（注意，这里的地址使用符号表示，因为函数到底会被安排在哪里目前还不知道，给它安排个符号，让汇编器和连接器去翻译成真实的地址）。那么这个GEN_CALL是什么？至少在gcc 被 built 之前是不知道的。但是可以告诉你的是，它由一个叫做Machine Description的东西来决定。这里的GEN_CALL调用的是gen_call函数，这个函数定义在insn-emit.c中，而这个文件实在build的时候由Machine Description生成的。在i386平台的Machine Description中，gen_call函数转而去调用ix86_expand_call，因此真正的call insn是由这个函数来完成的。而这个函数又调用了一堆 gen_rtx_XXX来组装insn，这一堆gen_rtx_XXX是从gcc/rtl.def文件自动生成的。

　　rtl.def 文件是由一串宏组成的，这个宏形如DEF_RTL_EXPR(ENUM, NAME, FORMAT, CLASS)。ENUM是枚举名，gen_rtx_XXX中的XXX部分就是这个枚举名；NAME是识别名，用在其他地方识别rtl；FORMAT是参数格式，代表这个rtx有多少个参数，每个参数是什么类型。比如0代表常数0，e代表表达式等等。CLASS是类型。

　　在gcc目录下有个叫做gengenrtl.c的文件，他有自己的main函数，所以是一个独立的程序。该程序就是将rtl.def翻译成genrtl.h和genrtl.c两个文件，前者声明了gen_rtx_XXX到gen_rtx_fmt_FFF_stat的对应关系，其中FFF就是宏里面的FORMAT参数，gen_rtx_CALL对应的就是gen_rtx_fmt_ee_stat；后者定义了gen_rtx_fmt_FFF_stat的实现。

[cpp]  view plain copy

1. /* Write the declarations for the routine to allocate RTL with FORMAT.  */  
2.   
3. static void  
4. gendecl (const char *format) // <strong>为每个gen_rtx_fmt_FFF_stat创建声明</strong>  
5. {  
6.   const char *p;  
7.   int i, pos;  
8.   
9.   printf ("extern rtx gen_rtx_fmt_%s_stat\t (RTX_CODE, ", format);  
10.   printf ("enum machine_mode mode");  
11.   
12.   /* Write each parameter that is needed and start a new line when the line 
13.      would overflow.  */  
14.   for (p = format, i = 0, pos = 75; *p != 0; p++)  
15.     if (*p != '0')  
16.       {  
17.     int ourlen = strlen (type_from_format (*p)) + 6 + (i > 9);  
18.   
19.     printf (",");  
20.     if (pos + ourlen > 76)  
21.       printf ("\n\t\t\t\t      "), pos = 39;  
22.   
23.     printf (" %sarg%d", type_from_format (*p), i++);  
24.     pos += ourlen;  
25.       }  
26.   printf (" MEM_STAT_DECL");  
27.   
28.   printf (");\n");  
29.   printf ("#define gen_rtx_fmt_%s(c, m", format);  // <strong>定义gen_rtx_fmt_FFF 到 gen_rtx_fmt_FFF_stat</strong>  
30.   for (p = format, i = 0; *p != 0; p++)  
31.     if (*p != '0')  
32.       printf (", p%i",i++);  
33.   printf (")\\\n        gen_rtx_fmt_%s_stat (c, m", format);  
34.   for (p = format, i = 0; *p != 0; p++)  
35.     if (*p != '0')  
36.       printf (", p%i",i++);  
37.   printf (" MEM_STAT_INFO)\n\n");  
38. }  
39.   
40. /* Generate macros to generate RTL of code IDX using the functions we 
41.    write.  */  
42.   
43. static void  
44. genmacro (int idx)  
45. {  
46.   const char *p;  
47.   int i;  
48.   
49.   /* We write a macro that defines gen_rtx_RTLCODE to be an equivalent to 
50.      gen_rtx_fmt_FORMAT where FORMAT is the RTX_FORMAT of RTLCODE.  */  
51.   
52.   if (excluded_rtx (idx))  
53.     /* Don't define a macro for this code.  */  
54.     return;  
55.   
56.   printf ("#define gen_rtx_%s%s(MODE",  
57.        special_rtx (idx) ? "raw_" : "", defs[idx].enumname); // <strong>定义gen_rtx_ENUM 到 gen_rtx_fmt_FFF</strong>  
58.   
59.   for (p = defs[idx].format, i = 0; *p != 0; p++)  
60.     if (*p != '0')  
61.       printf (", ARG%d", i++);  
62.   
63.   printf (") \\\n  gen_rtx_fmt_%s (%s, (MODE)",  
64.       defs[idx].format, defs[idx].enumname);  
65.   
66.   for (p = defs[idx].format, i = 0; *p != 0; p++)  
67.     if (*p != '0')  
68.       printf (", (ARG%d)", i++);  
69.   
70.   puts (")");  
71. }  
72.   
73. /* Generate the code for the function to generate RTL whose 
74.    format is FORMAT.  */  
75.   
76. static void  
77. gendef (const char *format) // <strong>为每个gen_rtx_fmt_FFF_stat创建定义</strong>  
78. {  
79.   const char *p;  
80.   int i, j;  
81.   
82.   /* Start by writing the definition of the function name and the types 
83.      of the arguments.  */  
84.   
85.   printf ("rtx\ngen_rtx_fmt_%s_stat (RTX_CODE code, enum machine_mode mode", format);  
86.   for (p = format, i = 0; *p != 0; p++) // <strong>遍历format中的字符，每个字符对应一个参数</strong>  
87.     if (*p != '0')  
88.       printf (",\n\t%sarg%d", type_from_format (*p), i++);  
89.   
90.   puts (" MEM_STAT_DECL)");  
91.   
92.   /* Now write out the body of the function itself, which allocates 
93.      the memory and initializes it.  */  
94.   puts ("{");  
95.   puts ("  rtx rt;");  
96.   puts ("  rt = rtx_alloc_stat (code PASS_MEM_STAT);\n");  
97.   
98.   puts ("  PUT_MODE (rt, mode);");  
99.   
100.   for (p = format, i = j = 0; *p ; ++p, ++i)  // <strong>每个参数对应一个insn成员赋值语句。</strong>  
101.     if (*p != '0')  
102.       printf ("  %s (rt, %d) = arg%d;\n", accessor_from_format (*p), i, j++);  
103.     else  
104.       printf ("  X0EXP (rt, %d) = NULL_RTX;\n", i);  
105.   
106.   puts ("\n  return rt;\n}\n");  
107. }  

　　所以总的说来，一个insn自底向上的构建的话，先由rtl.def构建原子的rtx，然后由Machine Description组装insn或者insn 序列。

2.3 Basic Block中的insn

　　前面提到过，basic block中有两套指令系统：gimple和RTL。那么basic block中的RTL是从哪里来的呢？还是回到expand_gimple_basic_block函数：

[cpp]  view plain copy

1.     if (stmt || elt)  
2.     {  
3.       last = get_last_insn ();  
4.   
5.       // 此处省略若干字  
6.   
7.       /* Java emits line number notes in the top of labels. 
8.      ??? Make this go away once line number notes are obsoleted.  */  
9.       BB_HEAD (bb) = NEXT_INSN (last);  
10.       if (NOTE_P (BB_HEAD (bb)))  
11.     BB_HEAD (bb) = NEXT_INSN (BB_HEAD (bb)); // <strong>看这里</strong>  
12.       note = emit_note_after (NOTE_INSN_BASIC_BLOCK, BB_HEAD (bb));  
13.   
14.       maybe_dump_rtl_for_gimple_stmt (stmt, last);  
15.     }  
16.   else  
17.     note = BB_HEAD (bb) = emit_note (NOTE_INSN_BASIC_BLOCK); // <strong>或者这里</strong>  
18.   
19.   // 此处省略1000字  
20.   
21.   last = get_last_insn ();  
22.   if (BARRIER_P (last))  
23.     last = PREV_INSN (last);  
24.   if (JUMP_TABLE_DATA_P (last))  
25.     last = PREV_INSN (PREV_INSN (last));  
26.   BB_END (bb) = last; // <strong>还有这里</strong>  

　　对应的，在函数体中间也有对BB_HEAD(bb)的赋值，是设置basic block的insn序列的起始。BB_HEAD 排除了基本块开头的LABEL，BB_END排除了基本块最后的跳转表。所以每个基本块的insn序列就是函数insn序列的子序列。不同基本块的insn序列不会相交，甚至可能不会连着，因为中间还隔着LABEL和跳转表。

　　pass_expand之后的pass基本上都是RTL Pass了。这些pass要么通过get_first_insn()/get_last_insn()来遍历整个函数的insn列表（包含Label和跳转），要么用FOREACH_BB、BB_HEAD、BB_END来遍历每个基本块内部的insn（不包含Label和跳转）。

Machine Description

　　针对每个CPU平台，gcc有对应的Machine Description用指导指令生成。这些代码放在gcc/config/<平台名称>的目录下，比如intel平台的在gcc/config/i386/。一个Machine Description文件是对应平台的核心，比如gcc/config/i386/i386.md文件。

　　一个md文件中可以定义很多东西，比如constant、attr、insn、expand等等。constant是给一个编号起一个名字，其他地方如果要用到这个编号，可以用名字代替。比如i386.md中每个寄存器有一个编号；attr是目标平台的属性，比如有些什么扩展指令集、有些什么功能、或者被禁用了那些功能等等；insn和expand是md文件的主体，用来定义insn，不同的是前者的输出是asm，用于指令生成；后者的输出是insn sequence；用于GIMPLE转RTL。

　　每个insn和expand有这么几个要素：名字、RTL模板、条件、输出模板。名字是insn的识别名，比如rtl.def中CALL的识别名是call，所以对应的insn就是md文件里的define_expand call；RTL模板是RTX的规格，它有两个作用：1.判断是否匹配某个insn，2.指出每个操作数的属性（大小、使用情况，前置后置条件）；条件被用来检查该insn的前置条件，如果不符合，那就有问题；输出模板是该insn的汇编输出格式，用于最后的指令发射。

　　要注意的是md文件定义的是insn pattern，具体的insn是由expand_xxx、emit_xxx、gen_rtx_xxx、gen_xxx那一堆函数生成的。所以md文件里的insn只有两个作用：1.检查insn；2.输出asm

　　那么md文件是如何融入到gcc中的呢？还是靠build！和前面讲的rtl.def生成genrtl.h、genrtl.c类似，md文件被一系列工具翻译成不同作用的代码：

[plain]  view plain copy

1. [root@localhost gcc]# ls insn-*.h   
2. insn-attr.h insn-codes.h insn-config.h insn-constants.h insn-flags.h insn-modes.h   
3. [root@localhost gcc]# ls insn-*.c   
4. insn-attrtab.c insn-emit.c insn-modes.c insn-output.c insn-preds.c   
5. insn-automata.c insn-extract.c insn-opinit.c insn-peep.c insn-recog.c  

　　这里只说三个文件：insn-recog.c包含了RTL模板匹配的代码，用来检查rtx的合法性；insn-emit.c包含了insn的构建代码；insn-output.c包含了insn对应的asm输出。这三个文件分别由gcc/genrecog.c、gcc/genemit.c 和 gcc/genoutput.c编译出来的三个程序来生成，不妨还是那上面的call来举例子：

[plain]  view plain copy

1. (define_expand "call"  
2.   [(call (match_operand:QI 0 "" "")  
3.      (match_operand 1 "" ""))  
4.    (use (match_operand 2 "" ""))]  
5.   ""  
6. {  
7.   ix86_expand_call (NULL, operands[0], operands[1], operands[2], NULL, 0);  
8.   DONE;  
9. })  

　　这个call insn要求第一个操作数是一个整数（QI），第二个和第三个参数自便，但是第三个参数是程序要使用的。从expand_call可以看出，第一个操作数是调用函数的地址，第二个操作数是参数堆栈大小，第三个操作数是参数列表（所有参数都在这第三个操作数里）。这个expand被用于gimple_call到insn的转换。

　　这条md定义被genemit工具转换成了一个叫做gen_call的函数，函数体中除了准备参数之外，最核心的就是调用ix86_expand_call。这是转换之后的结果：

[cpp]  view plain copy

1. /* /usr/src/develop/gcc-4.5.2/gcc/config/i386/i386.md:13574 */  
2. rtx  
3. gen_call (rtx operand0,  
4.         rtx operand1,  
5.         rtx operand2)  
6. {  
7.   rtx _val = 0;  
8.   start_sequence ();  
9.   {  
10.     rtx operands[3];  
11.     operands[0] = operand0;  
12.     operands[1] = operand1;  
13.     operands[2] = operand2;  
14. #line 13579 "/usr/src/develop/gcc-4.5.2/gcc/config/i386/i386.md"  
15. {  
16.   ix86_expand_call (NULL, operands[0], operands[1], operands[2], NULL, 0); // expand 的输出代码会出现在gen_xxx函数中  
17.   DONE;  
18. }  
19.     operand0 = operands[0];  
20.     operand1 = operands[1];  
21.     operand2 = operands[2];  
22.   }  
23.   emit_call_insn (gen_rtx_CALL (VOIDmode,  
24.         operand0,  
25.         operand1));  
26.   emit_insn (gen_rtx_USE (VOIDmode,  
27.         operand2));  
28.   _val = get_insns ();  
29.   end_sequence ();  
30.   return _val;  
31. }  

这是一个expand，用来生成insn，所以没有对应的output。再看一个insn的例子：

[plain]  view plain copy

1. (define_insn "x86_fnstsw_1"  
2.   [(set (match_operand:HI 0 "register_operand" "=a")  
3.     (unspec:HI [(reg:CCFP FPSR_REG)] UNSPEC_FNSTSW))]  
4.   "TARGET_80387" // 只能在允许80387指令情况下使用  
5.   "fnstsw\t%0"  // asm指令模板  
6.   [(set (attr "length") (symbol_ref "ix86_attr_length_address_default (insn) + 2"))  
7.    (set_attr "mode" "SI")  
8.    (set_attr "unit" "i387")])  

转换成gen_xxx之后变成：

[cpp]  view plain copy

1. /* /usr/src/develop/gcc-4.5.2/gcc/config/i386/i386.md:1361 */  
2. rtx  
3. gen_x86_fnstsw_1 (rtx operand0 ATTRIBUTE_UNUSED)  
4. {  
5.   return gen_rtx_SET (VOIDmode,  
6.         operand0,  
7.         gen_rtx_UNSPEC (HImode,  
8.         gen_rtvec (1,  
9.                 gen_rtx_REG (CCFPmode,  
10.         18)),  
11.         31));  
12. }  

asm模板不会出现在gen_xxx中，因为这个函数pass_expand是用来构建insn的。asm模板会转换到insn-output.c中：

[cpp]  view plain copy

1.   // struct insn_data 的初始化。  
2.   /* /usr/src/develop/gcc-4.5.2/gcc/config/i386/i386.md:1361 */  
3.   {  
4.     "x86_fnstsw_1",  
5. #if HAVE_DESIGNATED_INITIALIZERS  
6.     { .single = // 单一的指令对应single，如果是多行指令，会生成对应的output函数，这里就是 .function = { output_nnn }  
7. #else  
8.     {  
9. #endif  
10.       "fnstsw\t%0", // ASM输出模板  
11. #if HAVE_DESIGNATED_INITIALIZERS  
12.     },  
13. #else  
14.     0,  
15.     0  
16.     },  
17. #endif  
18.     (insn_gen_fn) gen_x86_fnstsw_1,  
19.     &operand_data[24],  
20.     1,  
21.     0,  
22.     1,  
23.     1  
24.   }  

指令生成

　　在优化的pass序列的最后，有一个叫做pass_final的RTL Pass，这个pass负责将RTL翻译为ASM。它的execute函数最核心的三行：

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1. final_start_function (get_insns (), asm_out_file, optimize);  
2. final (get_insns (), asm_out_file, optimize);  
3. final_end_function ();  

　　第一行输出函数的头，包括函数的汇编说明、stack frame的建立。第二行输出指令序列；第三行结束函数，包括stack frame的销毁、结束说明等。

final函数遍历整个函数的insn序列，调用final_scan_insn输出每一个insn。这个函数太长，要处理note、debug、frame等等乱七八糟的东西。但是中间最关键的一段是调用Machine Description来输出ASM：

[cpp]  view plain copy

1.     insn_code_number = recog_memoized (insn); // 找insn code number，就是insn的编号  
2.     cleanup_subreg_operands (insn);  
3.   
4. // 此处省略若干行  
5.   
6.         /* Find the proper template for this insn.  */  
7.     templ = get_insn_template (insn_code_number, insn); // 获取define_insn的ASM输出模板  
8.   
9.     /* If the C code returns 0, it means that it is a jump insn 
10.        which follows a deleted test insn, and that test insn 
11.        needs to be reinserted.  */  
12.     if (templ == 0)  
13.       {  
14.         rtx prev;  
15.   
16. // 继续省略若干行  
17.   
18.             return prev;  
19.       }  
20.   
21.     /* If the template is the string "#", it means that this insn must 
22.        be split.  */  
23.     if (templ[0] == '#' && templ[1] == '\0')  
24.       {  
25.         rtx new_rtx = try_split (body, insn, 0); // 去调用define_split  
26.   
27. //又省略若干行  
28.   
29.             return new_rtx;  
30.       }  
31.   
32. // 无关紧要的还是省略吧  
33.   
34.         /* Output assembler code from the template.  */  
35.     output_asm_insn (templ, recog_data.operand); // 按照模板输出asm  

　　指令生成的最关键一步是这段代码的第一个工作：识别insn。这一个工作很令人费解：既然insn是由md来生成的，那么生成的时候就应该知道这个insn该由md里面的哪一条定义提供asm输出，为什么还要识别呢？因为有的insn并不是全靠RTL来生成。就比如上面说的call，虽然他提供了expand的方法，但是真实的工作是由定义在gcc/config/i386/i386.c文件中的ix86_expand_call函数来完成。这个函数手工生成了一系列insn来完成函数调用的工作，那么这些insn如何来输出？

　　所以gcc提供了genrecog生成recog函数来完成insn的识别。识别的方法就是将md文件中的所有RTL表达式当作模式串集合，看真实的insn复合哪一个RTL表达式，那么这个insn就有对应的定义输出。recog函数返回对应insn的编号，然后按这个编号去找md的定义，并找到asm输出模板，于是有了上面这段输出代码。

　　recog函数的核心就是一棵硬编码的决策树。genrecog首先会扫描全部的md定义，抽取所有的RTL模式串，分解为一串predicates，然后将这些predicates插入到决策树中。recog函数就是一边输入未知insn的predicates，一边从树根开始做决策（其实就是跳转），直到遇到树叶完成决策。

　　在此之后的两个pass只是清理一下数据结构。由此整个pass链调用完毕，gcc完成了从GENERIC到GIMPLE，再到RTL，最后到ASM的转换。

总结

　　这个系列对gcc从输入到输出的流程进行了粗略的分析。一个编译器最核心的是优化部分。具体的优化步骤在本系列中没有提到，因为太多、太繁琐、也太理论。以后可以考虑把教科书中提到的优化挑出来分析一下，但最近是没有时间了，就此告一段落。