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LLVM概述
LLVM是构架编译器(compliter)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便是时间(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 Lattner博士主持开展。2006年Chris Lattner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等各大公司采用。 传统编译器设计
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,然后构建抽象树语法(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)讲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的编译架构Object-C/C/C++使用的编译器前端是Clang,Swift是Swift,后端是LLVM。
当编译器决定支持多重源语言或者多种硬件架构时,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,但犹豫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设计的最重要的方面是,使用普通的代码表示形式(IR),它是用来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。 ClangClang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,踏实负责编译C、C++、Object 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可以给我们带来更多的好处。 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 复制代码
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,最后生成汇编代码、 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。 预处理阶段执行如下命令: clang -E main.m 复制代码执行完毕可以看到头文件的导入和宏的替换。
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 复制代码
词法分析完成后就是语法分析,它的的任务是验证语法的正确性。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,然后将所有的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。 clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m 复制代码
如果头文件找不到,那么可以指定SDK clang -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/ iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator12.2.sdk自己的SDK路径 -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m 复制代码完成以上代码步骤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 复制代码
文本类似汇编。 Object-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 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的优化LLVM的优化级别分别是 -O0,-O1,-O2,-O3,-Os, clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o main.ll 复制代码Xcode7以后开启了苹果会进行进一步的优化。生成.bc的中间代码。我们通过优化后的代码IR代码生成.bc代码。 clang -emit-llvm -c main.ll -o main.bc 复制代码
我们通过最终的.bc代码或者.ll代码会生成汇编代码。 clang -S -fobjc-arc main.bc -o main.s clang -S -fobjc-arc main.ll -o main.s 复制代码
生成汇编代码也可以进行优化 clang -Os -S -fobjc-arc main.m -o main.s 复制代码目标文件的生成,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). clang -fmodules -c main.s -o main.o 复制代码
通过nm命令查看main.o中的符号 xcrun nm -nm main.o 复制代码
_printf是一个undefined external的。 undefined表示在当前文件暂时找不到符号 _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)连接器把编译生成的.o文件和(.dylib.a)文件,生成一个mach-o文件。 clang main.o -o main 复制代码查看链接之后的符号 xcrun nm -nm main 复制代码$xcrun nm -nm main (undefined) external _printf (from libSystem) (undefined) external dyld_stub_binder (from libSyste 0000000100000000 (__TEXT,__text) [referenced dynamically] external __ m) mh_execute_header 000000100000f6d (__TEXT,__text) external _test 000000100000f77 (__TEXT,__text) external _main |
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