【源码解析】C/C++开源代码解析引擎

标签：源代码 代码 C++ 编译器 源码 Clang 2.1 解析 LLVM

1. 背景说明

针对Simulink或其他MBD环境的模型生成代码，及其他的外部C/C++代码工程，做相应的后端代码优化处理工作，例如如下场景，

• 统计代码内的全局变量声明及其内存占用情况；

• 提取代码内的逻辑判断条件结合Z3 Prover定理证明器进行形式化验证；

• ...

因此需要对C/C++代码进行语法分析、代码分析、抽象语法树（AST）生成等操作，特此调研开源的C/C++代码解析引擎，并形成此文档。

2. 常见的开源C/C++代码解析引擎

2.1 Clang/LLVM

• 简介：Clang是一个C、C++和Objective-C的编译器前端，基于LLVM项目。它不仅提供了编译器功能，还提供了丰富的API用于代码分析和工具开发。

• 功能：Clang提供了抽象语法树（AST）接口、语义分析、代码格式化、重构等功能。

• 优势：强大的诊断和错误信息、模块化设计、广泛的社区支持。

• 授权：Apache License v2.0

2.1.1 LLVM项目

LLVM（Low-Level Virtual-Machine）是一个模块化和可重用的编译器和工具链技术项目。最初由克里斯·拉特纳（Chris Lattner）于2000年在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的博士项目中开发，现在由LLVM基金会和全球社区维护。LLVM项目包含一组编译器基础设施，分别用于开发前端编译器、中间语言优化和后端代码优化工具。

2.1.1.1 LLVM的核心组件和架构

2.1.1.1.1 LLVM Core

LLVM核心库，提供了中间表示（IR） 的定义、基本块和函数的表示，以及一系列用于操作和分析这些结构的工具。LLVM IR是一种低级、高度优化的语言独立中间表示，可以跨平台编译。

2.1.1.1.2 Clang

Clang是LLVM项目的一个C、C++和Objective-C编译器前端。它提供了代码解析、AST生成和代码分析等功能，旨在提供快速的编译速度和优秀的诊断信息。

2.1.1.1.3 LLVM Optimizer

LLVM优化器利用LLVM IR进行各种优化处理，如常量传播、死代码消除、循环优化等。这些优化可以在编译时（静态优化）或运行时（JIT编译时）进行。

2.1.1.1.4 LLVM Code Generator

LLVM后端部分，它负责将LLVM IR转换为特定架构的机器代码。LLVM支持多种硬件架构，包括x86、ARM、PowerPC、RISC-V等。

2.1.1.1.5 LLVM Runtime Libraries

LLVM项目还提供了一些运行时库，如编译时支持库（libc++、libc++abi等），用于支持生成的代码。

2.1.1.1.6 LLVM工具和实用程序

包括调试器（lldb）、二进制工具（llvm-objdump、llvm-ar等）、静态分析工具（scan-build）等。

2.1.1.2 LLVM的特点

2.1.1.2.1 模块化设计

LLVM的各个部分是高度模块化的，允许开发者根据需求组合使用。可以单独使用Clang作为前端编译器，也可以利用LLVM优化器和代码生成器。

2.1.1.2.2 语言独立性

LLVM IR是一种通用的中间表示，可以用来表示各种高级编程语言的编译结果，这使得LLVM可以支持多种语言前端。

2.1.1.2.3 广泛的硬件支持

LLVM具有广泛的硬件架构支持，这使得他成为各平台开发的理想选择。

2.1.1.2.4 实时编译（JIT）

LLVM支持及时编译（JIT），这使得它适用于动态语言的执行引擎开发和运行时优化。

2.1.1.2.5 开源社区

LLVM是开源项目，有一个活跃的社区贡献者和用户。它被广泛用于学术研究和工业界的编译器开发。

2.1.1.3 LLVM的应用领域

2.1.1.3.1 编译器开发

LLVM被广泛用于开发各种编程语言的编译器，如Rust编译器（rustc）、Julia编译器、Swift编译器等。

2.1.1.3.2 工具链和静态分析

LLVM的工具链被用于开发各种代码分析工具、格式化工具和静态分析器。

2.1.1.3.3 实时编译和运行时优化

由于支持JIT，LLVM被用于实时编译和运行时优化，应用在游戏引擎、数据库、浏览器引擎等领域。

2.1.1.3.4 研究和教育

由于模块化和开放性，LLVM常被用于编译器研究和教育领域。

2.1.1.3.5 工业应用

许多公司在器开发工具链中使用LLVM，包括Apple、Google、Microsoft、Sony等。

2.2 GCC（GNU Compiler Collection）

• 简介：GCC是一个编译器系统，支持多种编译语言，其中包括C和C++。它的GCC内部表示（GIMPLE、RTL等）也可以用于代码分析和优化。

• 功能：除了编译功能外，GCC还提供了静态分析工具（如GCC Static Analyzer）、插件机制等。

• 优势：支持广泛的架构和语言，经过长时间验证的工具链。

• 授权：GPL 2.0 License

2.3 LibClang

• 简介：LibClang是Clang的C接口，提供了一个相对简单的接口来解析C/C++代码，并访问Clang的AST。

• 功能：提供了基础的代码解析、符号查找、诊断信息等功能，适合构建简单的代码分析工具。

• 优势：使用简单，直接获取Clang的强大功能。

• 授权：Apache License v2.0

2.4 CppCheck

• 简介：CppCheck是一个静态代码分析工具，专门用于查找C/C++代码中的错误。

• 功能：检查常见的编程错误、内存泄漏、未定义行为等；

• 优势：专注于安全性和代码质量，轻量级，易于集成。

• 授权：GPL-3.0 license

2.5 Ctags

• 简介：Ctags生成标签文件，该文件记录了源代码中各种标识符的位置。支持C、C++及其他多种语言。

• 功能：支持符号导航、代码搜索等功能，常与编译器集成。

• 优势：支持广泛的语言和编译器，简单而高效。

• 授权：GPL-2.0 license

2.6 Clangd

• 简介：Clangd是基于Clang的语言服务器协议（LSP）实现，提供了对C/C++代码的智能感知支持。

• 功能：自动完成、跳转定义、文档查找、诊断信息、代码格式化等。

• 优势：基于Clang，提供了丰富的功能和良好的编辑器集成支持。

• 授权：Apache-2.0 license

2.7 Bear

• 简介：Bear是一个生成Clang编译数据库的工具。它拦截编译命令，生成用于Clang工具链的’json’文件。

• 功能：主要用于生成编译数据库，以便在Clang工具链中使用。

• 优势：提供方便的方式为Clang工具链生成编译信息。

• 授权：GPL-3.0 license

3. ANTLR4与LibClang代码解析的优劣势

此处的代码解析，主要针对于Sysplorer/Sysblock模型生成的C语言代码，以及其他C/C++工程代码。且常见的开源代码解析引擎，相当部分是Clang项目或相关工具链，特此选择ANTLR4与LibClang进行对比。

ANTLR4（Another Tool For Language Recognition）是一个功能强大的解析器生成工具，用于从上下文无关语法（Context-Free Grammars，CFG）生成解析器。ANTLR4特别适合构建语言翻译工具、编译器、解释器等，它支持多种目标编程语言，包括Java、C#、JavaScript、Python等。

ANTLR4和LibClang是两种非常不同的工具，它们都可以用于C/C++代码解析，但在功能、试用场景和优劣势方面有着显著差异。

3.1 ANTLR4

3.1.1 优势

3.1.1.1 通用性强

ANTLR4是一个通用的解析器生成工具，不仅限于C/C++，还可以解析多种自定义语言或数据格式。可以通过编写语法文件（.g4）来定义任意语言的语法和词法规则。

3.1.1.2 灵活性

用户可以完全控制解析的方式和生成的解析树结构。可以为不同语言的特定需求定制解析器，添加特定的语义操作。

3.1.1.3 支持多种目标语言

ANTLR4支持生成多种目标语言的解析器，包括Java、C#、Python等，便于集成到不同编程语言的项目中。

3.1.1.4 Listener和Visitor模式

ANTLR4提供了方便的Listener和Visitor模式，用于遍历和操作解析树。这使得分析和转换代码变得更加直观和模块化。

3.1.2 劣势

3.1.2.1 手动编写语法文件

需要手动编写C/C++语言的语法文件，这对于复杂的语言（如C++）来说可能非常复杂和困难。要实现完整的C++语法支持是一项巨大的工程。

3.1.2.2 缺乏内置的语义分析

ANTLR4主要关注词法和语法分析，缺乏对C/C++语言特定的语义分析支持，例如符号解析、类型检查等。这需要额外的工作来实现。

3.1.2.3 没有内置的代码补全和错误修正功能

这些功能需要手动实现，与LibClang相比，需要更多的开发工作。

3.2 LibClang

3.2.1 优势

3.2.1.1 原生支持C/C++

LibClang是Clang的C接口，是一个专门为C/C++设计的工具。它完全理解C/C++的复杂语法和语义，支持包括模版、宏等复杂特性。

3.2.1.2 完整的AST生成

提供完整的抽象语法树（AST），精确地表示C/C++代码的结构。可以访问详细的类型信息、作用域、符号等。

3.2.1.3 内置语义分析

提供内置的语义分析功能，如符号解析、类型检查等。这对于开发人员需要深入理解代码语义的工具非常有用。

3.2.1.4 强大的工具集成

LibClang是Clang工具链的一部分，可以与Clang的其他工具（如代码格式化、静态分析、编译器等）紧密集成。

3.2.1.5 支持IDE集成

由于提供了精确的语法和语义信息，LibClang非常适用于实现IDE功能，如代码补全、跳转到定义、代码重构等。

3.2.2 劣势

3.2.2.1 语言限制

LibClang主要支持C、C++和Objective-C。如果需要解析其他语言，LibClang不是合适的工具。

3.2.2.2 复杂性和依赖性

LibClang依赖于Clang的完整工具链，使用和部署可能比其他工具更复杂。

3.2.2.2.1 配合Clang编译环境使用

LibClang是Clang的C接口库，它依赖于Clang的核心库和工具链来解析和处理C/C++代码。

使用LibClang接口通常需要配合Clang编译环境，这包括Clang编译器、相关库和工具，以及正确的编译环境设置。

以下说明了需要Clang编译环境支持的原因：

依赖Clang库

LibClang接口是Clang项目的一部分，它直接依赖于Clang的其他核心库（如’libclangAST’、’libclangParse’等）。这些库提供了解析、语法分析、语义分析等功能。

编译器工具链

LibClang常用于需要精确编译信息的场景，如IDE集成、代码分析等。它通常需要访问编译数据库（‘compile_commands.json’），该文件记录了如何编译项目的每个文件。生成这个文件通常是通过Clang的工具（如’bear’或’cmake’等）实现的。

Clang的特性和优化

Clang提供了一些特定的编译选项和优化（如诊断、代码完成等），这些特定在使用LibClang时也可以受益。

3.2.2.3 非易用的API

虽然LibClang提供了C接口，但操作AST和其他数据结构可能相对复杂。理解Clang的内部数据结构和设计需要一定的学习曲线。

3.3 总结

ANTLR更适合用于需要定制化的解析器开发，尤其是需要支持多种语言或自定义语言的场景。它的灵活性和通用性是其最大的优势，但在处理复杂语言（如C++）是需要额外的工作。

LibClang则是为C/C++量身定制的工具，能够精确地处理C/C++的所有语法特性和语义特性，适用于需要高精度解析和语义分析的工具，如IDE和静态分析器。它的深度和广度使其在C/C++代码解析领域非常强大，但也限制了其适用范围。

3.3.1 适用的开发流程

如果目标是快速、准确地解析C/C++语言代码并获取丰富的语义信息，LibClang是更合适的选择。对于需要高度定制化或跨语言支持的解析需求，且愿意投入较多开发工作量的项目，ANTLR4则提供了更大的灵活性。

4. Clang编译环境的配置与验证

下面介绍在Visual Studio开发环境中配置Clang编译器的基本说明。

4.1 在Visual Studio中使用Clang编译器

Visual Studio支持使用不同的编译器，包括Clang。在Windows上，Clang通常作为LLVM工具链的一部分安装，可以使用VS的“工具集”(toolset)来切换到Clang编译环境。

4.1.1 安装Clang编译环境

1. 下载并安装LLVM，确保Clang工具链已安装；

2. 将LLVM的bin目录添加到系统的PATH环境变量中，以便Visual Studio可以找到’clang-cl.exe’；

3. 或者使用Visual Studio Installer配置Clang编译环境，详情参考，Visual Studio 项目中的 Clang/LLVM 支持。

图 4-1 Visual Studio安装程序的Clang环境

4.1.2 配置Visual Studio使用Clang编译环境

4.1.2.1 创建或打开项目

创建一个新的Visual Studio项目或打开现有项目。

4.1.2.2 更改项目的工具集

1. 打开项目的“属性”窗口；

2. 在“配置属性”下，选择“常规”；

3. 在“平台工具集”（Platform Toolset）下拉菜单中选择LLVM(clang-cl)或者其他表示Clang的选项。

图 4-2 切换至Clang编译器

4.1.2.3 配置编译和链接器设置

在“C/C++”和“链接器”设置下，可以配置与Clang相关的选项，这些设置与使用MSVC编译器时类似。

图 4-3 Clang编译环境的"C/C++"设置

图 4-4 Clang编译环境的"链接器"设置

4.1.2.4 编译和运行

配置完成后，可以像平常一样编译和运行项目。Clang编译器会负责代码的编译和链接。

4.1.2.5 注意事项

• 兼容性：Clang可能对一些特定的MSVC扩展不完全兼容，尤其是涉及Windows特定API和特性时。需要测试和调整代码以确保兼容性。

• 诊断信息：Clang提供了不同的诊断和告警信息，可以在项目设置中进一步定制和调整。

• 经过验证，MSVC编译环境下可正常编译和运行LibClang程序，如下：

  • Microsoft Visual Studio 2019，版本11.32；

  • LLVM工具集，版本1.8。

4.2 Visual Studio工程项目验证示例

4.2.1 代码解析的C代码头文件

以下为执行代码解析的C代码头文件，header_de.h。

#pragma once

typedef char MwbChar;
typedef int MwbInt;
typedef unsigned int MwbUInt;
typedef float MwbFloat;
typedef double MwbDouble;
typedef int MwbBool;
typedef size_t MwbSize;
typedef signed char MwbInt8;
typedef unsigned char MwbUInt8;
typedef short MwbInt16;
typedef unsigned short MwbUInt16;
typedef int MwbInt32;
typedef unsigned int MwbUInt32;

double gFloat = 0.0f;

struct model81SdModel81 {
  MwbDouble m_sample;
  MwbInt m_errorCode;
  MwbSolveStage m_solveStage;
  MwbSolveStepStage m_solveStepStage;
  MwbDouble m_startTime;
  MwbInt m_timeTickCount;
  MwbDouble m_curTime;
};


struct model81IdModel81U {
  struct Bus1 inport;
  Enum1 inport1;
  MwbInt16 inport2;
};

如上代码段所示，待解析的C代码头文件包含如下信息，类型定义typedef语句、变量定义语句，以及结构体声明语句。

4.2.2 使用LibClang解析C代码示例

#include <iostream>
#include <clang-c/Index.h>  // This is libclang.

#define FILE_PATH  "C:\\Users\\TR\\source\\repos\\Clang\\header_de.h"

// 输出变量类型
void PrintVarDecl(CXCursor cursor, CXCursorKind cursor_type)
{
    // 变量名
    CXString name = clang_getCursorSpelling(cursor);
    // 变量类型
    CXType type = clang_getCursorType(cursor);
    // 变量类型名
    CXString type_name = clang_getTypeSpelling(type);
    // 游标类型名
    CXString cursor_type_name = clang_getCursorKindSpelling(cursor_type);

    // 游标位置
    CXSourceLocation location = clang_getCursorLocation(cursor);
    CXFile file;
    unsigned int line, column;
    clang_getFileLocation(location, &file, &line, &column, NULL);
    // 文件名称
    CXString file_name = clang_getFileName(file);

    printf("Cursor:%s, Type:%s[%s], Location:%s %d:%d\n",
           clang_getCString(name),
           clang_getCString(type_name),
           clang_getCString(cursor_type_name),
           clang_getCString(file_name), line, column);

    // 资源释放
    clang_disposeString(name);
    clang_disposeString(type_name);
    clang_disposeString(cursor_type_name);
    clang_disposeString(file_name);
}

// 遍历AST节点的回调函数
// Visit Children，任何cursor都有一种类型enum CXCursorKind，表示cursor的本质
CXChildVisitResult visitor(CXCursor cursor, CXCursor parent, CXClientData client_data)
{
    CXCursorKind eType = clang_getCursorKind(cursor);
    PrintVarDecl(cursor, eType);

    return CXChildVisit_Recurse;
}

int main()
{
    CXIndex index = clang_createIndex(0, 0);
    // 解析成功后，获取经过解析的抽象语法树（AST），可以遍历和检查该语法树
    CXTranslationUnit unit = clang_parseTranslationUnit(index,
                             FILE_PATH,
                             nullptr, 0, nullptr, 0,
                             CXTranslationUnit_None);

    if(nullptr == unit)
    {
        std::cerr << "Unable to parse translation unit. Qutting." << std::endl;
        return -1;
    }

    // 指向抽象语法树（AST）的指针成为Cursors
    CXCursor cursor = clang_getTranslationUnitCursor(unit);
    // 调用回调函数
    clang_visitChildren(cursor, visitor, nullptr);

    // 资源释放
    clang_disposeTranslationUnit(unit);
    clang_disposeIndex(index);

    return 0;
}

4.2.2.1 LibClang接口解析的通用流程

使用LibClang解析源码并遍历抽象语法树AST的通用流程包括以下步骤：

4.2.2.1.1 初始化和配置

• 创建索引：创建一个索引对象，通常一个编译器示例对应一个索引对象；

• 设置库路径（可选）：在使用Python绑定时，可能需要指定libclang库的路径。

  • 在Windows环境使用相关函数时需要链接到LibClang库，需要链接以下库文件（包含在LLVM工具集内）：

    • lib

      • 静态库文件，链接该库可以使用LibClang提供的所有API。

    • dll

      • 动态链接库，需要在运行时确保该文件在可执行文件路径内。

4.2.2.1.2 解析源代码

• 生成翻译单元：使用clang_parseTranslationUnit()函数解析源代码文件，生成翻译单元（Translation Unit）。这代表一个独立的解析结果，通常对应一个源代码及其包含的头文件。

4.2.2.1.3 获取根游标

• 获取根游标：翻译单元的根游标（Cursor）代表了整个翻译单元的根节点，可以通过clang_getTranslationUnitCursor()获取。

4.2.2.1.4 遍历AST

• 设置回调函数：定义一个回调函数来处理每个节点。这通常是通过检查节点的类型来过滤和处理感兴趣的节点，例如变量声明、函数定义等。

• 遍历节点：使用clang_visitChildren()函数从根游标开始递归遍历整个AST，该函数会调用回调函数来处理每个子节点。

4.2.2.1.5 处理节点

• 获取节点信息：在回调函数中，可以使用相关API获取节点的详细信息，包括类型、名称、位置等。

4.2.2.1.6 释放资源

• 释放翻译单元和索引：在完成解析和遍历后，释放分配的资源，以防止内存泄漏。

4.2.2.2 执行结果

上述示例代码的执行结果如下：

图 4-5 示例代码执行结果

如图 4-5所示，可获取类型定义TypedefDecl、变量定义VarDecl、结构体定义StructDecl，以及结构体变量定义FieldDecl等类型，及其所在的文件及行列。

5. 调研结论

如3.3.3所示，LLVM工具集是模块化和可重用的编译器和工具链技术项目，LibClang作为Clang的C接口，原生支持C/C++语法与语义，能够精确处理C/C++所有语法特性与语义特性，且Visual Studio 2019环境可原生支持编译和运行Clang环境，适用于需要高精度解析和语义分析的工具。

主要难点在于操作AST和其他数据结构可能相对复杂，需要一定的学习和理解过程。

如果需要高度定制化的词法与语法解析流程，可考虑ANTLR4解析器生成工具。

标签：源代码,代码,C++,编译器,源码,Clang,2.1,解析,LLVM
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