LLVM编译器基础架构与DragonEgg示例

LLVM 概述

LLVM 项目是模块化和可重用的编译器和工具链技术的集合。LLVM 与传统的虚拟机几乎没有关系。“LLVM”这个名字本身并不是一个首字母缩写词；是项目的全名。

LLVM开始作为一个研究项目，在伊利诺伊大学，与提供能够一个现代的，基于SSA编译策略目标，支持任意编程语言的，静态与动态编译。从那时起，LLVM 已经发展成为一个由多个子项目组成的伞形项目，其中许多被各种商业和开源项目用于量产， 广泛用于学术研究。LLVM 项目中的代码，根据"Apache 2.0 License with LLVM exceptions"许可的。

LLVM 的主要子项目是：

1. LLVM内核库提供一个现代化的，source- and target-independent独立的 optimizer 优化，依靠 code generation support代码生成，支持许多流行的CPU（以及一些不太常见的！），这些库文件基于特定代码，称为LLVM中间代码表示（“LLVM IR”）构建的。LLVM 核心库有很好的参考文档，而且特别容易创造新语言（或移植现有的编译器），使用 LLVM 作为优化器和代码生成器。
2. Clang是一个“LLVM 原生”，C/C++/Objective-C 编译器，旨在提供惊人的编译速度、极好的 error and warning messages 错误和警告消息，构建一个平台，构建超源级工具building great source level tools。 Clang Static Analyzer and clang-tidy，在代码中自动寻找错误bugs，可以使用Clang frontend前端库，提供解析C / C ++代码生成工具的大量示例。
3. LLDB项目由LLVM和Clang构建，提供了大量调试great native debugger。使用 Clang AST 和表达式解析器、LLVM JIT、LLVM 反汇编器等，提供了“正常工作”"just works"的体验。在加载符号时，比 GDB 更快，存储效率更高。
4. 在libc中++和 libc ++ ABI项目，提供了一个标准的适配和高性能实现的C ++标准库，包括C ++ 11和C ++ 14的完全支持。
5. 编译器RT项目，提供了高效tune调试，如"__fixunsdfdi"的low-level code generator支持例程的实现等，当目标不具有本地指令的短序列实现核心IR操作，产生的调用时。还为动态测试工具（例如AddressSanitizer、 ThreadSanitizer、 MemorySanitizer和 DataFlowSanitizer ）提供运行时库的实现 。
6. MLIR子项目，一种新的方法来构建可重用和可扩展的编译架构。MLIR 旨在解决软件碎片问题，改进异构硬件的编译，显着降低构建特定领域编译器的成本，支持将现有编译器连接在一起。
7. OpenMP的子项目， 在clang 中，通过OpenMP实现，提供OpenMP runtime。
8. 该polly项目，使用using a polyhedral model多面体模型套件，auto-parallelism and vectorization自动并行和向量化，实现整套cache-locality optimizations缓存局部性优化。
9. libclc项目，实现OpenCL标准库。
10. klee项目，实现了“symbolic virtual machine符号虚拟机” ，通过程序中的所有动态路径，采用一个定理证明，试图评估在努力发现问题和证明的功能性。klee 的一个主要特性，可以在检测到错误时，生成测试用例。
11. LLD项目，一个新的linker链接器。系统链接器的直接替代品，运行速度更快。

除了 LLVM 的官方子项目之外，还有各种各样的其它项目，使用 LLVM 的组件完成各种任务。通过这些外部项目，可以使用 LLVM，编译 Ruby、Python、Haskell、Rust、D、PHP、Pure、Lua 和许多其它语言。LLVM 的一个主要优势，多功能性、灵活性和可重用性，这就是为什么用于如此广泛的不同任务：从对 Lua 等嵌入式语言，进行轻量级 JIT 编译，到为大规模超级计算机编译 Fortran 代码。

与其它一样，LLVM 拥有一个广泛而友好的社区，对构建出色的低级工具感兴趣。如果有兴趣参与，最好先浏览LLVM 博客并注册LLVM 开发人员邮件列表。有关如何发送补丁、获取提交访问权限，以及版权和许可主题的信息，请参阅LLVM 开发人员规则。

DragonEgg示例

DragonEgg in action

使用gcc-4.5编译"hello world" 程序:

$ gcc hello.c -S -O1 -o -

        .file    "hello.c"

        .section .rodata.str1.1,"aMS",@progbits,1

.LC0:

        .string  "Hello world!"

        .text

.globl main

        .type    main, @function

main:

        subq     $8, %rsp

        movl     $.LC0, %edi

        call     puts

        movl     $0, %eax

        addq     $8, %rsp

        ret

        .size    main, .-main

        .ident   "GCC: (GNU) 4.5.0 20090928 (experimental)"

        .section .note.GNU-stack,"",@progbits

将 -fplugin=path/dragonegg.so 加到 gcc command line优化代码，通过LLVM生成codegenerator:

$ gcc hello.c -S -O1 -o - -fplugin=./dragonegg.so

        .file    "hello.c"

# Start of file scope inline assembly

        .ident   "GCC: (GNU) 4.5.0 20090928 (experimental) LLVM: 82450:82981"

# End of file scope inline assembly

        .text

        .align   16

        .globl   main

        .type    main,@function

main:

        subq     $8, %rsp

        movl     $.L.str, %edi

        call     puts

        xorl     %eax, %eax

        addq     $8, %rsp

        ret

        .size    main, .-main

        .type    .L.str,@object

        .section .rodata.str1.1,"aMS",@progbits,1

.L.str:

        .asciz   "Hello world!"

        .size    .L.str, 13

        .section .note.GNU-stack,"",@progbits

增加 -fplugin-arg-dragonegg-emit-ir或 -flto 的LLVM IR 输出 output (需要assembler output汇编输出, -S, 不是目标代码输出, -c, 否则，gcc 传递pass the LLVM IR 到 the system assembler, 肯定汇编失败):

$ gcc hello.c -S -O1 -o - -fplugin=./dragonegg.so -fplugin-arg-dragonegg-emit-ir

; ModuleID = 'hello.c'

target datalayout = "e-p:64:64:64-i1:8:8-i8:8:8-i16:16:16-i32:32:32-i64:64:64-f32:32:32-f64:64:64-v64:64:64-v128:128:128-a0:0:64-s0:64:64-f80:128:128"

target triple = "x86_64-unknown-linux-gnu"

module asm "\09.ident\09\22GCC: (GNU) 4.5.0 20090928 (experimental) LLVM: 82450:82981\22"

@.str = private constant [13 x i8] c"Hello world!\00", align 1 ; <[13 x i8]*> [#uses=1]

define i32 @main() nounwind {

entry:

  %0 = tail call i32 @puts(i8* getelementptr inbounds ([13 x i8]* @.str, i64 0, i64 0)) nounwind ; <i32> [#uses=0]

  ret i32 0

}

参考链接：

https://llvm.org/

https://dragonegg.llvm.org/