1. LLVM概念

1.1 編譯器

LLVM與編譯器息息相關，究竟什么是編譯器呢？帶著疑問往下看吧。
編譯器就是將一種語言（通常為高級語言）翻譯為另一種語言（通常為低級語言的程序。一個現代編譯器的主要工作流程：源代碼(source code) → 預處理器(preprocessor) → 編譯器(compiler) → 目標代碼(object code) → 鏈接器(Linker) → 可執行程序(executables)

源代碼一般為高級語言(High-level language)， 如C、C++、Java、Objective-C等或匯編語言，而目標則是機器語言的目標代碼(Object copy)，有時也稱作機器代碼(Machine code)。

• 解釋型語言
  引入一個Python代碼，見下圖：
  

  創建Python案例
  
  創建一個FirstDemo.py文件，里面只有一行代碼，print('Hello world for first time')。通過解釋器指令python，解釋這段代碼：
  
  解析Python案例
  
  通過上面的流程可以發現解釋型語言的運行流程：
  
  解釋型語言編譯流程
  
  解釋型語言特點：邊解釋，邊執行，運行速度慢，部分改動無需整體重新編譯，不可脫離解釋器環境運行。

• 編譯型語言
  引入一個C代碼，見下圖：
  

  創建C語言案例
  
  創建一個firstDemoForC.c文件，里面添加了一個main函數。首先通過clang去讀取這個代碼:
  
  讀取C代碼
  
  讀取之后發現代碼并沒有立刻執行，而是生成了一個a.out文件。這個文件就是可執行文件。通過./a.out執行這段代碼：
  
  a.out執行
  
  通過上面的流程可以發現編譯型語言的運行流程：
  
  編譯型語言運行流程
  
  編譯型語言特點：先整體編譯，再執行，運行速度快，任意改動需重新編譯，可脫離編譯環境運行。

注意：編譯型語言編譯是先將代碼編譯成cpu可讀的懂的二進制才能執行

1.2 LLVM概述

LLVM是構架編譯器(compiler)的框架系統，以C++編寫而成，用于優化以任意程序語言編寫的程序的編譯時間(compile-time)、鏈接時間(link-time)、運行時間(run-time)以及空閑時間(idle-time)，對開發者保持開放，并兼容已有腳本。

目前LLVM已經被Apple、Microsoft、Google、Facebook等各大公司采用。

1.2.1 傳統編譯器的設計

傳統編譯器的設計

• 編譯器前端(Frontend)
  編譯器前端的任務是解析源代碼。它會進行：詞法分析、語法分析、語義分析，檢查源代碼是否存在錯誤，然后構建抽象語法樹，LLVM的前端會生成中間代碼IR。

• 優化器(Optimizer)
  優化器負責進行各種優化。改善運行時間，例如消除冗余計算等。

• 后端(Backend)
  也可以叫代碼生成器(CodeGenerator)，將代碼映射到目標指令集。生成機器語言，并且進行機器相關的代碼優化。

補充：隨著高級語言越來越多，終端類型種類的增加，所使用的的CPU架構等也不盡相同，所以為了適配多種環境，不得不設計不同的編譯器，而這些編譯器前端和后端往往是捆綁在一起的。

1.2.2 LLVM的設計思路

LLVM的設計之初，即將編譯器前端(Frontend)和后端(Backend)進行了分離。將前端和后端針對不同的架構，按照獨立的項目進行研發，而它們均采用通用的代碼形式IR。

前后端分離獨立適配架構

1.2.3 iOS編譯架構

Objective C/C/C++使用的編譯器前端是Clang，Swift是Swift，后端都是LLVM。

iOS編譯架構

1.3 Clang

Clang是LLVM項目中的一個子項目。它是基于LLVM架構的輕量級編譯器，誕生之初是為了替代GCC，提供更快的編譯速度。它是負責編譯C、C++、Objective-C語言的編譯器，它屬于整個LLVM架構中，編譯器前端。對于開發者來說，研究Clang可以給我們帶來很多好處。

2. 編譯流程詳解

通過命令可以打印源碼的編譯階段。引入下面一個案例，main.m中添加代碼：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    return 0;
}

通過指令clang -ccc-print-phases main.m，查看編譯流程：

通過指令查看編譯流程

2.1 預處理

執行如下指令：clang -E main.m，對源代碼進行預處理。見下面流程:

執行指令進行預處理

mainE.m文件查看

2.2 編譯階段

2.2.1 詞法分析

預處理完成后就會進行詞法分析，這里會把代碼切成一個個Token，比如大小括號，等于號以及字符串等。詞法分析指令為：

clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m

參考下面的案例：

詞法分析案例

2.2.2 語法分析

詞法分析完成之后就是語法分析，它的任務是驗證語法是否正確。在詞法分析的基礎上將單詞序列組合成各類語法短語，如:程序，語句，表達式等等，然后將所有節點組成抽象語法樹（Abstract Syntax Tree，AST）。語法分析程序判斷源程序在結構上是否正確。語法分析指令：

clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m

參考下面的案例：

語法分析案例

如在源碼中設置一個語法錯誤，通過語法分析指令進行進行編譯，就會報錯，見下面案例：

語法錯誤案例

2.2.3 生成中間代碼IR(intermediate representation)

完成以上步驟后，就開始生成中間代碼IR了，代碼生成器（Code Generation）會將語法樹自頂向下遍歷逐步翻譯成LLVM IR。通過下面指令可以生成.ll的文本文件，查看IR代碼。

clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m

通過上面的指令獲取main.ll文件，其結構見下圖：

IR代碼查看

• IR的基本語法

  • @ 全局標識
  • % 局部標識
  • alloca 開辟空間
  • align 內存對齊
  • i32 32個bit，4個字節
  • store 寫入內存
  • load 讀取數據
  • call 調用函數
  • ret返回

• IR優化
  上面生成的IR代碼是沒有經過優化的，其實我們在平時閱讀代碼時，經常會看下面的一些定義：

#define fastpath(x) (__builtin_expect(bool(x), 1))
#define slowpath(x) (__builtin_expect(bool(x), 0))

• fastpath：可以理解為快速流程，對更有可能執行的流程進行優化，提高運行速度；
  slowpath：基本流程，不被優化的。

在XCode中也有相應的優化設置入口：

優化入口

clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o main.ll

通過以上指令生成優化后IR代碼如下：

生成優化后IR代碼

這里需要注意的是，通常debug模式下，優化模式選擇None -O0，也就是不優化，避免一些保留代碼被屏蔽，從而影響調試。而release模式設置為Fastest,Smallest -Os。

• bitCode
Xcode7以后開啟bitCode蘋果會做進一步的優化，生成.bc的中間代碼。我們通過優化后的IR代碼生成.bc代碼。對應指令為：

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

2.3 后端生成匯編代碼

我們通過最終的.bc或者.ll代碼生成匯編代碼：

    clang -S -fobjc-arc main.bc -o main.s
    clang -S -fobjc-arc main.ll -o main.s

生成匯編代碼也可以進行優化：

    clang -Os -S -fobjc-arc main.m -o main.s

采用相同的案例，分別三種方式生成匯編代碼，可以看到其優化效果。在進行IR優化后生成的.ll文件，依然可以進行優化生成回應的匯編代碼。在不同的節點上都可以進行優化。見下圖：

匯編代碼的生成

2.4 生成目標文件(匯編器)

目標文件的生成，是匯編器以匯編代碼作為輸入，將匯編代碼轉換為機器代碼，最后輸出目標文件（object file）。指令為：

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

生成目標文件，見下圖：

生成目標文件

    $xcrun nm -nm main.o
            (undefined) external _printf
    0000000000000000 (__TEXT,__text) external _test
    000000000000000a (__TEXT,__text) external _main

• _printf是一個undefifined external的
• undefifined表示在當前文件暫時找不到符號_printf
• external表示這個符號是外部可以訪問的

此時就需要鏈接，鏈接器把編譯生成的.o文件和（.dylib .a）文件鏈接生成一個mach-o文件。

    clang main.o -o main

生成對應的可執行文件，見下圖：

生成可執行文件

查看鏈接之后的符號：

$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

可以發現此時的外部函數有2個，_printf和dyld_stub_binder，它們都來自libSystem庫。dyld_stub_binder這個函數的作用是進行運行時綁定流程。

鏈接是在編譯時，用來確定外部函數來自哪個動態庫；綁定是在運行時，將對應方法的實現地址與符號進行綁定。

可執行文件運行結果：

可執行文件運行結果