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LLVM 编译器基础设施

LLVM 编译器基础设施

LLVM (Low Level Virtual Machine)

LLVM 是一个模块化和可重用的编译器和工具链技术集合。它提供了现代化的编译器基础设施，支持静态和动态编译，广泛应用于各种编程语言和硬件平台。

📋 章节概览

LLVM 简介
编译器基础设施概述
LLVM IR
中间表示语言
Pass 系统
优化与变换框架
后端代码生成
目标代码生成
优化技术
编译器优化策略
工具链
LLVM 工具集

🎯 学习目标

通过本章节的学习，你将掌握：

  • LLVM 架构: 理解 LLVM 的整体架构和设计原则
  • LLVM IR: 熟练读写 LLVM 中间表示
  • Pass 开发: 编写自定义的分析和变换 Pass
  • 后端开发: 了解目标代码生成的基本原理
  • 优化技术: 掌握常见的编译器优化方法

🏗️ LLVM 架构概览 

┌─────────────────┐    ┌──────────────────┐    ┌─────────────────┐
│   Frontend      │    │   Optimizer      │    │    Backend      │
│                 │    │                  │    │                 │
│ C/C++   → IR    │───▶│ IR → IR (Opts)   │───▶│ IR → Machine    │
│ Rust    → IR    │    │                  │    │     Code        │
│ Swift   → IR    │    │ Pass Manager     │    │                 │
│ ...     → IR    │    │                  │    │ x86/ARM/GPU/... │
└─────────────────┘    └──────────────────┘    └─────────────────┘

🔧 环境搭建

从源码构建 LLVM 

# 克隆 LLVM 项目
git clone https://github.com/llvm/llvm-project.git
cd llvm-project

# 创建构建目录
mkdir build && cd build

# 配置构建
cmake -G Ninja ../llvm \
  -DLLVM_ENABLE_PROJECTS="clang;lld" \
  -DLLVM_TARGETS_TO_BUILD="X86;ARM;AArch64;NVPTX;AMDGPU" \
  -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release \
  -DLLVM_ENABLE_ASSERTIONS=ON

# 编译
ninja

验证安装 

# 检查版本
./bin/llvm-config --version
./bin/clang --version

# 运行测试
ninja check-llvm

📝 第一个 LLVM IR 程序

C 源码 

// hello.c
#include <stdio.h>

int main() {
    printf("Hello, LLVM!\n");
    return 0;
}

生成 LLVM IR 

# 生成 LLVM IR
clang -S -emit-llvm hello.c -o hello.ll

# 查看生成的 IR
cat hello.ll

LLVM IR 示例 

; hello.ll
@.str = private unnamed_addr constant [13 x i8] c"Hello, LLVM!\00"

declare i32 @printf(i8*, ...)

define i32 @main() {
entry:
  %call = call i32 (i8*, ...) @printf(i8* getelementptr inbounds 
    ([13 x i8], [13 x i8]* @.str, i32 0, i32 0))
  ret i32 0
}

🚀 核心组件

1. LLVM Core

  • Module: 编译单元的顶层容器
  • Function: 函数定义和声明
  • BasicBlock: 基本块，控制流的基本单位
  • Instruction: 指令，计算的基本单位

2. Pass Manager

  • ModulePass: 模块级别的 Pass
  • FunctionPass: 函数级别的 Pass
  • BasicBlockPass: 基本块级别的 Pass
  • LoopPass: 循环级别的 Pass

3. 代码生成器

  • SelectionDAG: 指令选择的中间表示
  • MachineFunction: 机器级别的函数表示
  • Register Allocation: 寄存器分配
  • Instruction Scheduling: 指令调度

🎨 优化示例

死代码消除 (DCE) 

; 优化前
define i32 @example() {
  %1 = add i32 1, 2      ; 死代码
  %2 = add i32 3, 4
  ret i32 %2
}

; 优化后
define i32 @example() {
  ret i32 7              ; 常量折叠 + DCE
}

循环优化 

; 循环展开前
for.body:
  %i = phi i32 [ 0, %entry ], [ %inc, %for.body ]
  %sum = phi i32 [ 0, %entry ], [ %add, %for.body ]
  %add = add i32 %sum, %i
  %inc = add i32 %i, 1
  %cmp = icmp slt i32 %inc, 4
  br i1 %cmp, label %for.body, label %for.end

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