LLVM

LLVM是架構編譯器（compiler）的框架系統，由C++編寫完成，用于優化已任意程序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

傳統編譯器設計

• 編譯器前端（Frontend）：負責解析源代碼，它會進行詞法分析、語法分析、語義分析和檢查源代碼是否存在錯誤，然后構建抽象語法樹（Abstract Syntax Tree,AST），LLVM會生成中間代碼(intermediate representation IR)

• 優化器（Optimizer）：負責進行各種優化，改善代碼的運行時間，例如消除冗余計算等

• 后端（Backend）/代碼生成器（CodeGenerator）：將代碼映射到目標指令集。生成機器語言，并進行機器相關的代碼優化

傳統編譯器設計

iOS的編譯器架構

OC/C/C++使用的編譯器前端是Clang，swift前端是Swift，后端都是LLVM，Clang會生成中間代碼(intermediate representation IR)

iOS編譯器架構

LLVM設計

使用通用的代碼表示形式(IR)，用來在編譯器中表示代碼的形式，所有LLVM可以為任何編程語言獨立編寫前端，并且可以為任意硬件架構獨立編寫后端

LLVM

Clang簡介

Clang是LLVM項目中的子項目，基于LLVM架構的輕量級編譯器，誕生之初是為了替代GCC，提高更快的編譯速度。它是負責編譯C、C++、Object-C語言的編譯器，在整個LLVM架構中屬于編譯器前端

編譯流程

• 單獨新建一個main.m文件

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;[圖片上傳中...(image.png-1984f6-1624280414052-0)]

}

• 通過命令clang -ccc-print-phases main.m
  
  LLVM編譯流程

//輸入文件：找到源文件
+- 0: input, "main.m", objective-c
//預處理階段：處理包括宏的替換，頭文件的導入
+- 1: preprocessor, {0}, objective-c-cpp-output
//編譯階段：進行詞法、語法分析，檢測語法是否正確，最終生成IR
+- 2: compiler, {1}, ir
//后端：LLVM會通過一個一個的Pass去優化，每個Pass做些事情，最終生成匯編代碼
+- 3: backend, {2}, assembler
//生成目標文件
+- 4: assembler, {3}, object
//鏈接：鏈接需要的動態庫和靜態庫，生成可執行文件
+- 5: linker, {4}, image
//通過不同的架構，生成對應的可執行文件
6: bind-arch, "x86_64", {5}, image

1、預處理階段

預處理階段是進行宏的替換和頭文件的導入，我們可以通過下面命令來查看導入和替換情況

//在終端直接查看替換結果
clang -E main.m

//生成對應的文件查看替換后的源碼
clang -E main.m >> main2.m

• typedef給數據類型取別名時，在預處理階段不會被替換
• define的取的別名在預處理階段會被替換，所有我們可以用這方法來進行關鍵代碼混淆，例如將關鍵類和方法用系統類似的名稱取別名

2、編譯階段

編譯階段主要是進行：詞法、語法分析和代碼錯誤檢查，然后生成中間代碼IR

（1）詞法分析

預處理完成后就會進行詞法分析，會把代碼切成一個個Token，比如大小括號，等于號還有字符串等

• 通過下面命令查看詞法分析后結果

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

詞法分析

• 如果頭文件找不到，我們可以通過下面命令指定sdk

clang -isysroot （自己SDK路徑） -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

（2）語法分析

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

• 我們可以通過下面命令查看語法分析的結果

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

語法分析

• 如果導入頭文件找不到，可以指定SDK

clang -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator14.1.sdk/ -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m

下面是幾個關鍵字的含義

• -FunctionDecl 函數
• -ParmVarDecl 參數
• -CallExpr 調用一個函數
• -BinaryOperator 運算符

（3）生成中間代碼IR

代碼生成器（Code Generaltion）會將語法樹自頂向下遍歷逐步翻譯成LLVM IR，OC代碼會在這一步進行runtime的橋接：property合成，ARC處理等

• 我們可以通過下面命令生成.ll的文本文件，來查看IR代碼

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

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

IR代碼

• IR文件在OC中是可以進行優化的，一般設置是在target - Build Setting - Optimization Level（優化器等級）中設置。LLVM的優化級別分別是-O0 -O1 -O2 -O3 -Os(第一個是大寫英文字母O)，下面是帶優化的生成中間代碼IR的命令

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

優化后的IR代碼

• xcode7以后開啟bitcode，蘋果會做進一步優化，生成.bc的中間代碼，我們通過優化后的IR代碼生成.bc代碼

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

.bc代碼

3、后端

LLVM在后端主要是會通過一個個的Pass去優化，每個Pass做一些事情，最終生成匯編代碼

• 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

• 生成的匯編代碼也可以進行優化

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

匯編代碼main.s

4、生成目標文件

是匯編器以匯編代碼作為插入，將匯編代碼轉換為機器代碼，最后輸出目標文件（object file）

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

• 通過nm命令，查看main.o中的符號

xcrun nm -nm main.o

main.o中的符號

• external表示這個符號是可以外部訪問的
• _printf函數是一個是undefined 、external 的
• undefined表示在當前文件暫時找不到符號_printf

5、鏈接

鏈接主要是鏈接需要的動態庫和靜態庫

• 靜態庫和可執行文件合并
• 動態庫是獨立鏈接

鏈接器會吧編譯生成的.o文件和(.dylib.a)文件，生成一個mach-o文件

clang main.o -o main

查看鏈接后的符號

xcrun nm -nm main

如下所示，其中undefined表示會在運行時進行動態綁定

mach-o文件符號

6、綁定

綁定主要是通過不同的架構，生成對應的mach-o格式可執行文件

總結

LLVM編譯流程