第十三號艦隊
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Introduction to LLVM

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What is LLVM?

LLVM的全名是Low Level Virtual Machine，和一般所知的Virtual Machine(VMWare, VirtualBox等)不同，他是一種編譯器架構。主要分成

  • 前端： Source Code -> BitCode
  • 後端： BitCode -> Native Code

由於BitCode的獨立性，可以很容易的跨平台。

而LLVM主要有以下幾個特性：

  1. RISC Like的指令集
  2. 以SSA(Static Single-Assignment) 形式提供數目不設限的虛擬暫存器
  3. 以Load/store 指令存取型態定義的指標(Typed-Pointer)
  4. 基於SSA可明確資料在運作過程中的傳遞流程
  5. 提供跟語言無關的形態資訊
  6. 在exception的支援上提供 setjmp/longjmp實作的Exception機制,並提供 invoke指令可呼叫一個需要帶有Exception Handler的函式,與提供Unwind指令,能透過Stack Frame回推到上一個invoke指令位置.

如何使用LLVM

在這裡我們使用Clang來當FrontEnd，將C語言轉換成BitCode。

依舊從Hello World開始

接著我們編譯此檔案

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$ clang -S -emit-llvm hello.c

此時目錄下生成了hello.s，觀看其內容

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; 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-n8:16:32:64-S128"
target triple = "x86_64-unknown-freebsd9.0"

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

define i32 @main() nounwind uwtable {
entry:
  %retval = alloca i32, align 4
  store i32 0, i32* %retval
  %call = call i32 (i8*, ...)* @printf(i8* getelementptr inbounds ([14 x i8]* @.str, i32 0, i32 0))
  ret i32 0
}

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

注意，在這邊我們有加上 -emit-llvm的選項，表示我們要使用LLVM的對應組件，如果沒加這命令的話，其作用跟一般的Native Complier相同，如下。

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$ clang -S hello.c

一樣產生hello.s，但是內容完全不同

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        .file   "hello.c"
        .text
        .globl  main
        .align  16, 0x90
        .type   main,@function
main:                                   # @main
.Ltmp2:
        .cfi_startproc
# BB#0:                                 # %entry
        pushq   %rbp
.Ltmp3:
        .cfi_def_cfa_offset 16
.Ltmp4:
        .cfi_offset %rbp, -16
        movq    %rsp, %rbp
.Ltmp5:
        .cfi_def_cfa_register %rbp
        subq    $16, %rsp
        leaq    .L.str, %rdi
        movl    $0, -4(%rbp)
        movb    $0, %al
        callq   printf
        movl    $0, %ecx
        movl    %eax, -8(%rbp)          # 4-byte Spill
        movl    %ecx, %eax
        addq    $16, %rsp
        popq    %rbp
        ret
.Ltmp6:
        .size   main, .Ltmp6-main
.Ltmp7:
        .cfi_endproc
.Leh_func_end0:

        .type   .L.str,@object          # @.str
        .section        .rodata.str1.1,"aMS",@progbits,1
.L.str:
        .asciz   "Hello World!\n"
        .size   .L.str, 14


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

如何產生 BitCode

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$ clang -emit-llvm hello.c -c -o hello.bc

如何用 LLVM的JIT執行BitCode

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$ lli hello.bc

如何看BitCode的Assembly Code

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$ llvm-dis < hello.bc | less

如何用BitCode產生 Native Assembly Code

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$ llc hello.bc -o hello.s

如何用BitCode產生Native Machine Code

可以直接從BitCode下手，或是從上一步驟產生出來的Assembly Code下手

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$ clang hello.bc -o hello_native
$ clang hello.s -o hello_native