LLVM基礎(chǔ)架構(gòu)和Rust

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LLVM Infrastructure and Rust

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一、摘要：

前言

LLVM是許多編程語言背后的引擎。它被用來編譯C、C++、Rust、Go、Swift等語言。這篇文章與LLVM相關(guān)，將探索以下主題:

LLVM基礎(chǔ)架構(gòu)是什么

LLVM如何工作

LLVM程序結(jié)構(gòu)

LLVM和Rustc

LLVM基礎(chǔ)架構(gòu)是什么

LLVM基礎(chǔ)架構(gòu)是一組模塊化和可重用的編譯器和工具鏈技術(shù)。LLVM現(xiàn)包含幾個子項目如Clang、C++、Objective-C編譯器，調(diào)試器LLDB、libc++等。

LLVM編譯器框架是一個模塊化和可重用的編譯器框架，使用LLVM基礎(chǔ)架構(gòu)提供端到端代碼編譯。它用于構(gòu)建、優(yōu)化、安全檢查和生成中間代碼(IR)或二進制(機器)代碼(BC)。

LLVM允許將上層編程語言代碼轉(zhuǎn)換為中間表示(IR)，后者可以轉(zhuǎn)換為任何給定硬件架構(gòu)的二進制代碼(BC)。LLVM IR語言獨立于源語言和目標語言。

LLVM如何工作

正如前面提到，LLVM是一個模塊化和可重用的編譯器框架，支持多個前端和后端。編寫程序的生命周期包括編寫源代碼，然后將其編譯成二進制代碼以便執(zhí)行。我們感興趣的是編譯階段。當源代碼被編譯成二進制時，它將按照后續(xù)的順序經(jīng)過如下圖所示的幾個步驟。

當源代碼轉(zhuǎn)換成LLVM IR時，它可以采用三種格式之一。內(nèi)存內(nèi)格式是一種適合于編譯過程中前端部分的二進制表示。其他兩種格式是位碼Bitcode(.bc)和匯編Assembly(.ll)。位碼是一種二進制磁盤存儲格式，適合快速加載，因為它的內(nèi)存效率更高。匯編是一種便于人類閱讀的文本格式。

你可能想知道為什么要使用IR/BC而不是原生匯編格式和本地原生二進制格式?

原因是原生匯編格式與平臺的機器碼有一對一的綁定，這取決于目標的架構(gòu)例如針對X86的程序集和針對ARM的程序集是不同的。原生匯編代碼通過匯編程序轉(zhuǎn)換為主機原生二進制文件，LLVM也包含這一特性。

LLVM程序結(jié)構(gòu)

LLVM IR系統(tǒng)，就像任何其他系統(tǒng)一樣，有它自己程序結(jié)構(gòu)。

頂層容器是一個Module，它對應(yīng)于前端編譯器的每個翻譯單元。模塊可以由一個或多個函數(shù)組成。每個函數(shù)有一個或多個基礎(chǔ)塊，這些基礎(chǔ)塊包含有指令。指令是單行的，在IR語言中有多種指令可用。

在IR描述中，會遇到兩種變量，局部變量，用%符號表示；全局變量，用@符號表示。

LLVM IR可以使用無限數(shù)量的臨時寄存器，而不是像原生匯編程序那樣只使用預(yù)定義數(shù)量的寄存器。

IR寄存器是由整數(shù)來定義比如1、2、3、..N。例如%2 = load i32, i32* %x表示存儲在本地變量x地址的值被加載到臨時寄存器2中。

LLVM IR另一個優(yōu)點是它利用所謂的靜態(tài)單賦值(Static Single Assignment (SSA))形式。這允許對代碼進行各種優(yōu)化。常規(guī)變量可以被重新賦值多次，而SSA中變量只能被賦值一次(注意這里不包括同一變量使用多次store指令)。這使得編譯器可以進行更有效的寄存器分配，因為在任何給定的點上都可以很容易地近似推導(dǎo)多個活動變量。它可以檢測未使用的變量，并防止程序分配不必要的指針。

例如，下面的代碼x = x * x在SSA中表示為x_2 := x_1 * x_1。如果我們進入變量不斷得到新值的循環(huán)中，SSA使用稱為Phi的節(jié)點，這些Phi節(jié)點將把變量合并到最終的值中，最終的值將從分支或循環(huán)中返回或輸出。

LLVM和Rustc

Rustc官方開發(fā)指南列出了他們?yōu)槭裁词褂肔LVM的原因:

我們不需要編寫完整的編譯器后端。這減少了實現(xiàn)和維護負擔(dān)。

我們從LLVM項目收集的高級優(yōu)化組件中獲益。

我們可以自動將Rust編譯到LLVM支持的任何平臺上。例如只要LLVM添加對wasm的支持，Rust, Clang和許多其他語言都可以編譯成wasm。

我們和其他編譯器項目互相受益。例如當發(fā)現(xiàn)Spectre和Meltdown安全漏洞時，只需要修補LLVM。

解讀Rust示例代碼為何有這樣的IR輸出

作者對上面Rust代碼如何生成IR進行較詳細解讀，比如:factorial函數(shù)中如何使用SSA和Phi節(jié)點來分配使用臨時變量等，感興趣的朋友可進一步深入學(xué)習(xí)了解；

二、讀后感及推薦：

1、這篇文章深入淺出介紹LLVM基礎(chǔ)架構(gòu)及其特點，較詳細解讀Rust示例代碼對應(yīng)生成的LLVM IR含義及要點，特別適合入門理解；

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