LLVM编译流程-一一网

LLVM概述

LLVM是构架编译器(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。
传统编译器设计

编译器不同于解释器，解释器可以将高级语言边转译边执行。但是编译器需要将所有的源代码编译成机器代码之后，然后才能执行，所以如图不管传统的还是LLVM都一定是源代码输入，输出是机器代码（也就是0101组合），中间还分前端、优化器、后端
- 编译器前端（Frontend）
  
  编译器前端的任务是解析源代码。它会进行：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的编译器架构
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,它方法非常成功，但由于它是作为整体应用程序设计的, 因此它们的用途受到了很大的限制。
LLVM设计的最重要方面是，使用通用的代码表示形式（IR），它是用来在编译器中标识代码的形式（其实就是一种中间代码）。所以LLVM可以为任何变成语言独立编写前端，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++、Objecte-C语言的编译器，它属于整个LLVM架构中的，编译器前端。
编译流程

首先简单写一个demo如下：
```
#import <stdio.h>
 //#define C 30

 //typedef int TD_INT_64;

 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;
 }
复制代码
```
- 通过命令打印查看源码的编译阶段
  
  命令：clang -ccc-print-phases main.m
  
  可以发现主要分6个步骤
  - 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：链接需要的动态库和静态库，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
  
  命令：clang -E main.m
  
  宏在预处理阶段会被替换掉，typedef不会被替换掉，所以一般为了安全可以使用，做代码混淆
- 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
    命令： clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m
    
    注：如果头文件找不到可以指定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
  - 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。
    命令： clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m
    - FunctionDecl 函数
    - ParmVarDecl 参数
    - CallExpr 调用一个函数
    - BinaryOperator 运算符
  - 生成中间代码IR
    
    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。通过下面命令可以生成.11的文本文件，查看IR代码。
    命令：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个字节
    - store 写入内存
    - load 读取数据
    - call 调用函数
    - ret 返回
    IR优化：
    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)
    优化命令：clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o main.ll
    一般设置是在target - Build Setting - Optimization Level（优化器等级）中设置
    
    Debug情况下默认是不优化，Release情况下默认Fastest、Smallest
    优化后的代码：
  - bitCode
    
    xcode7以后开启bitcode苹果会做进一步的优化。生成.be的中间代码。我们通过优化后的IR代码生成.be代码
    命令：clang -emit-llvm -c main.ll -o main.bc
  - 生成汇编代码
    
    最终通过.be或者.ll代码生成汇编代码
    命令：
    clang -S -fobjc-arc main.bc -o main.s
    clang -S -fobjc-arc main.ll -o main.s
    
    当然生成的汇编代码也可以进行优化（注意如果生成IR代码已经做过优化了此时在优化不会再起作用）
    命令：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)
    命令： clang -fmodules -c main.s -o main.o
    可以发现是个Mach-O文件
    通过nm命令，查看下main.o中的符号
    命令： xcrun nm -nm main.o
    发现找不到_printf这个方法，应为_printf是从外部的库引入
  - 生成可执行文件（链接）
    
    连接器把编译产生的.o文件和(.dylib .a)文件，生成一个mach-o文件。
    命令：clang main.o -o main
    
    发现此时是一个可执行的Mach-O文件
    再查看链接之后的符号
    应为OC的特性运行时，动态库实在运行时需要使用的时候再加载到内存的，所以编一阶段找不到对应的方法
LLVM编译流程图