# 5.6 LLVM

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## 简介

LLVM 是当今炙手可热的编译器基础框架。它从一开始就采用了模块化设计的思想，使得每一个编译阶段都被独立出来，形成了一系列的库。LLVM 使用面向对象的 C++ 语言开发，为编译器开发人员提供了易用而丰富的编程接口和 API。

## 初步使用

首先我们通过著名的 helloWorld 来熟悉下 LLVM 的使用。

```c
#include <stdio.h>
int main()
{
    printf("hello, world\n");
}
```

将 C 源码转换成 LLVM 汇编码：

```text
$ clang -emit-llvm -S hello.c -o hello.ll
```

生成的 LLVM IR 如下：

```text
; ModuleID = 'hello.c'
source_filename = "hello.c"
target datalayout = "e-m:e-i64:64-f80:128-n8:16:32:64-S128"
target triple = "x86_64-unknown-linux-gnu"

@.str = private unnamed_addr constant [14 x i8] c"hello, world\0A\00", align 1

; Function Attrs: noinline nounwind optnone sspstrong uwtable
define i32 @main() #0 {
  %1 = call i32 (i8*, ...) @printf(i8* getelementptr inbounds ([14 x i8], [14 x i8]* @.str, i32 0, i32 0))
  ret i32 0
}

declare i32 @printf(i8*, ...) #1

attributes #0 = { noinline nounwind optnone sspstrong uwtable "correctly-rounded-divide-sqrt-fp-math"="false" "disable-tail-calls"="false" "less-precise-fpmad"="false" "no-frame-pointer-elim"="true" "no-frame-pointer-elim-non-leaf" "no-infs-fp-math"="false" "no-jump-tables"="false" "no-nans-fp-math"="false" "no-signed-zeros-fp-math"="false" "no-trapping-math"="false" "stack-protector-buffer-size"="8" "target-cpu"="x86-64" "target-features"="+fxsr,+mmx,+sse,+sse2,+x87" "unsafe-fp-math"="false" "use-soft-float"="false" }
attributes #1 = { "correctly-rounded-divide-sqrt-fp-math"="false" "disable-tail-calls"="false" "less-precise-fpmad"="false" "no-frame-pointer-elim"="true" "no-frame-pointer-elim-non-leaf" "no-infs-fp-math"="false" "no-nans-fp-math"="false" "no-signed-zeros-fp-math"="false" "no-trapping-math"="false" "stack-protector-buffer-size"="8" "target-cpu"="x86-64" "target-features"="+fxsr,+mmx,+sse,+sse2,+x87" "unsafe-fp-math"="false" "use-soft-float"="false" }

!llvm.module.flags = !{!0, !1, !2}
!llvm.ident = !{!3}

!0 = !{i32 1, !"wchar_size", i32 4}
!1 = !{i32 7, !"PIC Level", i32 2}
!2 = !{i32 7, !"PIE Level", i32 2}
!3 = !{!"clang version 5.0.1 (tags/RELEASE_501/final)"}
```

该过程从词法分析开始，将 C 源码分解成 token 流，然后传递给语法分析器，语法分析器在 CFG（上下文无关文法）的指导下将 token 流组织成 AST（抽象语法树），接下来进行语义分析，检查语义正确性，最后生成 IR。

LLVM bitcode 有两部分组成：位流，以及将 LLVM IR 编码成位流的编码格式。使用汇编器 llvm-as 将 LLVM IR 转换成 bitcode：

```text
$ llvm-as hello.ll -o hello.bc
```

结果如下：

```text
$ file hello.bc
hello.bc: LLVM IR bitcode
$ xxd -g1 hello.bc | head -n5
00000000: 42 43 c0 de 35 14 00 00 05 00 00 00 62 0c 30 24  BC..5.......b.0$
00000010: 49 59 be 66 ee d3 7e 2d 44 01 32 05 00 00 00 00  IY.f..~-D.2.....
00000020: 21 0c 00 00 4d 02 00 00 0b 02 21 00 02 00 00 00  !...M.....!.....
00000030: 13 00 00 00 07 81 23 91 41 c8 04 49 06 10 32 39  ......#.A..I..29
00000040: 92 01 84 0c 25 05 08 19 1e 04 8b 62 80 10 45 02  ....%......b..E.
```

反过来将 bitcode 转回 LLVM IR 也是可以的，使用反汇编器 llvm-dis：

```text
$ llvm-dis hello.bc -o hello.ll
```

其实 LLVM 可以利用工具 lli 的即时编译器（JIT）直接执行 bitcode 格式的程序：

```text
$ lli hello.bc
hello, world
```

接下来使用静态编译器 llc 命令可以将 bitcode 编译为特定架构的汇编语言：

```text
$ llc -march=x86-64 hello.bc -o hello.s
```

也可以使用 clang 来生成，结果是一样的：

```text
$ clang -S hello.bc -o hello.s -fomit-frame-pointer
```

结果如下：

```asm
        .text
        .file   "hello.c"
        .globl  main                    # -- Begin function main
        .p2align        4, 0x90
        .type   main,@function
main:                                   # @main
        .cfi_startproc
# BB#0:
        pushq   %rbp
.Lcfi0:
        .cfi_def_cfa_offset 16
.Lcfi1:
        .cfi_offset %rbp, -16
        movq    %rsp, %rbp
.Lcfi2:
        .cfi_def_cfa_register %rbp
        movabsq $.L.str, %rdi
        movb    $0, %al
        callq   printf
        xorl    %eax, %eax
        popq    %rbp
        retq
.Lfunc_end0:
        .size   main, .Lfunc_end0-main
        .cfi_endproc
                                        # -- End function
        .type   .L.str,@object          # @.str
        .section        .rodata.str1.1,"aMS",@progbits,1
.L.str:
        .asciz  "hello, world\n"
        .size   .L.str, 14


        .ident  "clang version 5.0.1 (tags/RELEASE_501/final)"
        .section        ".note.GNU-stack","",@progbits
```

## 参考资料

- [llvm documentation](http://llvm.org/docs/index.html)