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LLVM与Clang局部架构与语法分析

2021-10-11 6:18:45

LLVM与Clang局部架构与语法分析
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Clang与LLVM
LLVM整体架构,前端用的是clang,广义的LLVM是指整个LLVM架构,一般狭义的LLVM指的是LLVM后端(包含代码优化和目标代码生成)。

源代码(c/c++)经过clang–> 中间代码(经过一系列的优化,优化用的是Pass) --> 机器码

OC源文件的编译过程
这里用Xcode创建一个Test项目,然后cd到main.m的上一路径。
命令行查看编译的过程:$ clang -ccc-print-phases main.m

$ clang -ccc-print-phases main.m

0: input, “main.m”, objective-c
1: preprocessor, {0}, objective-c-cpp-output
2: compiler, {1}, ir
3: backend, {2}, assembler
4: assembler, {3}, object
5: linker, {4}, image
6: bind-arch, “x86_64”, {5}, image
0.找到main.m文件
1.预处理器,处理include、import、宏定义
2.编译器编译,编译成ir中间代码
3.后端,生成目标代码
4.汇编
5.链接其他动态库静态库
6.编译成适合某个架构的代码

查看preprocessor(预处理)的结果:$ clang -E main.m
这个命令敲出,终端就会打印许多信息,大致如下:

1 “main.m”

1 “” 1

1 “” 3

353 “” 3

1 “” 1

1 “” 2

1 “main.m” 2

.
.
.
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
NSLog(@“Hello, World!”);
}
return 0;
}
词法分析
词法分析,生成Token: $ clang -fmodules -E -Xclang -dump-tokens main.m
将代码分成一个个小单元(token)

举例如下:

void test(int a, int b){
int c = a + b - 3;
}

void ‘void’ [StartOfLine] Loc=main.m:18:1
identifier ‘test’ [LeadingSpace] Loc=main.m:18:6
l_paren ‘(’ Loc=main.m:18:10
int ‘int’ Loc=main.m:18:11
identifier ‘a’ [LeadingSpace] Loc=main.m:18:15
comma ‘,’ Loc=main.m:18:16
int ‘int’ [LeadingSpace] Loc=main.m:18:18
identifier ‘b’ [LeadingSpace] Loc=main.m:18:22
r_paren ‘)’ Loc=main.m:18:23
l_brace ‘{’ Loc=main.m:18:24
int ‘int’ [StartOfLine] [LeadingSpace] Loc=main.m:19:5
identifier ‘c’ [LeadingSpace] Loc=main.m:19:9
equal ‘=’ [LeadingSpace] Loc=main.m:19:11
identifier ‘a’ [LeadingSpace] Loc=main.m:19:13
plus ‘+’ [LeadingSpace] Loc=main.m:19:15
identifier ‘b’ [LeadingSpace] Loc=main.m:19:17
minus ‘-’ [LeadingSpace] Loc=main.m:19:19
numeric_constant ‘3’ [LeadingSpace] Loc=main.m:19:21
semi ‘;’ Loc=main.m:19:22
r_brace ‘}’ [StartOfLine] Loc=main.m:20:1
eof ‘’ Loc=main.m:20:2
可以看出,词法分析的时候,将上面的代码拆分一个个token,后面数字表示某一行的第几个字符,例如第一个void,表示第18行第一个字符。

语法树-AST
语法分析,生成语法树(AST,Abstract Syntax Tree): $ clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m
通过语法树,我们能知道这个代码是做什么的。

还是刚刚的test函数
生成语法树如下:

|-FunctionDecl 0x7fa1439f5630 <line:18:1, line:20:1> line:18:6 test ‘void (int, int)’
| |-ParmVarDecl 0x7fa1439f54b0 <col:11, col:15> col:15 used a ‘int’
| |-ParmVarDecl 0x7fa1439f5528 <col:18, col:22> col:22 used b ‘int’
| -CompoundStmt 0x7fa142167c88 <col:24, line:20:1> |-DeclStmt 0x7fa142167c70 <line:19:5, col:22>
| -VarDecl 0x7fa1439f5708 <col:5, col:21> col:9 c 'int' cinit |-BinaryOperator 0x7fa142167c48 <col:13, col:21> ‘int’ ‘-’
| |-BinaryOperator 0x7fa142167c00 <col:13, col:17> ‘int’ ‘+’
| | |-ImplicitCastExpr 0x7fa1439f57b8 col:13 ‘int’
| | | -DeclRefExpr 0x7fa1439f5768 <col:13> 'int' lvalue ParmVar 0x7fa1439f54b0 'a' 'int' | |-ImplicitCastExpr 0x7fa1439f57d0 col:17 ‘int’
| | -DeclRefExpr 0x7fa1439f5790 <col:17> 'int' lvalue ParmVar 0x7fa1439f5528 'b' 'int' |-IntegerLiteral 0x7fa142167c28 col:21 ‘int’ 3

`-
在终端敲出的时候,终端很直观的帮我们用颜色区分。我们可以用图形显示如下:

test函数的语法树
LLVM IR
LLVM IR有3种表示形式(本质是等价的)

text:便于阅读的文本格式,类似于汇编语言,拓展名.ll, $ clang -S -emit-llvm main.m
memory:内存格式
bitcode:二进制格式,拓展名.bc, $ clang -c -emit-llvm main.m
我们以text形式编译查看:

; Function Attrs: noinline nounwind optnone ssp uwtable
define void @test(i32, i32) #2 {
%3 = alloca i32, align 4
%4 = alloca i32, align 4
%5 = alloca i32, align 4
store i32 %0, i32* %3, align 4
store i32 %1, i32* %4, align 4
%6 = load i32, i32* %3, align 4
%7 = load i32, i32* %4, align 4
%8 = add nsw i32 %6, %7
%9 = sub nsw i32 %8, 3
store i32 %9, i32* %5, align 4
ret void
}
IR基本语法
注释以分号 ; 开头
全局标识符以@开头,局部标识符以%开头
alloca,在当前函数栈帧中分配内存
i32,32bit,4个字节的意思
align,内存对齐
store,写入数据
load,读取数据
官方语法参考 https://llvm.org/docs/LangRef.html

应用与实践
开发都是基于源码开发,首先要进行源码下载和编译。
源码下载

下载LLVM
$ git clone https://git.llvm.org/git/llvm.git/

下载clang
$ cd llvm/tools
$ git clone https://git.llvm.org/git/clang.git/

备注:clang是llvm的子项目,但是它们的源码是分开的,我们需要将clang放在llvm/tools目录下。
源码编译
在终端敲出的clang是xcode默认内置clang编译器,我们自己要进行LLVM开发的话,需要编译属于我们自己的clang编译器

首先安装cmake和ninja(先安装brew,https://brew.sh/)
$ brew install cmake
$ brew install ninja

ninja如果安装失败,可以直接从github获取release版放入【/usr/local/bin】中
https://github.com/ninja-build/ninja/releases

在LLVM源码同级目录下新建一个【llvm_build】目录(最终会在【llvm_build】目录下生成【build.ninja】

$ cd llvm_build
$ cmake -G Ninja …/llvm -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=LLVM的安装路径

备注:生成build.ninja,就表示编译成功,-DCMAKE_INSTALL_PREFIX 表示编译好的东西放在指定的路径,-D表示参数。

更多cmake相关选项,可以参考: https://llvm.org/docs/CMake.html
接下来依次执行编译、安装指令

$ ninja
编译完毕后, 【llvm_build】目录大概 21.05 G(这个真的是好大啊)
$ ninja install
然后到这里我们的编译就完成了。

另一种方式是通过Xcode编译,生成Xcode项目再进行编译,但是速度很慢(可能需要1个多小时)。

方法如下:
在llvm同级目录下新建一个【llvm_xcode】目录
$ cd llvm_xcode
$ cmake -G Xcode …/llvm
应用与实践的参考

libclang、libTooling
官方参考:https://clang.llvm.org/docs/Tooling.html
应用:语法树分析、语言转换等

参考链接:
https://www.cnblogs.com/wwoo/p/llvm-chu-tan.html
https://www.cnblogs.com/huhuf6/p/13978797.html