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LLVM编译流程分析

1. LLVM编译器概念

LLVM与编译器息息相关，究竟什么是编译器呢？带着疑问往下看吧。
编译器就是将一种语言（通常为高级语言）翻译为另一种语言（通常为低级语言的程序。一个现代编译器的主要工作流程：源代码(source code) → 预处理器(preprocessor) → 编译器(compiler) → 目标代码(object code) → 链接器(Linker) → 可执行程序(executables)

源代码一般为高级语言(High-level language)， 如C、C++、Java、Objective-C等或汇编语言，而目标则是机器语言的目标代码(Object copy)。

• IR的基本语法
  • @ 全局标识
  • % 局部标识
  • alloca 开辟空间
  • align 内存对齐
  • i32 32个bit，4个字节
  • store 写入内存
  • load 读取数据
  • call 调用函数
  • ret返回

生成目标文件(汇编器)

目标文件的生成，是汇编器以汇编代码作为输入，将汇编代码转换为机器代码，最后输出目标文件（object file）。指令为：

clang -fmodules -c main.s -o main.o

其中main.o文件即为目标文件，但是此时生成的目标文件是不可执行的。通过nm命令，查看下main.o中的符号：

    $xcrun nm -nm main.o

            (undefined) external _printf

    0000000000000000 (__TEXT,__text) external _test

    000000000000000a (__TEXT,__text) external _main

• _printf是一个undefifined external的
• undefifined表示在当前文件暂时找不到符号_printf
• external表示这个符号是外部可以访问的

此时就需要链接，链接器把编译生成的.o文件和（.dylib .a）文件链接生成一个mach-o文件。

    clang main.o -o main

需要注意的是，通常debug模式下，优化模式选择None -O0，也就是不优化，避免一些保留代码被屏蔽，从而影响调试。而release模式设置为Fastest,Smallest -Os。

• bitCode
Xcode7以后开启bitCode苹果会做进一步的优化，生成.bc的中间代码。我们通过优化后的IR代码生成.bc代码。对应指令为：

clang -emit-llvm -c main.ll -o main.bc

2. 后端生成汇编代码

我们通过最终的.bc或者.ll代码生成汇编代码：

    clang -S -fobjc-arc main.bc -o main.s

    clang -S -fobjc-arc main.ll -o main.s

生成汇编代码也可以进行优化：

    clang -Os -S -fobjc-arc main.m -o main.s

采用相同的案例，分别三种方式生成汇编代码，可以看到其优化效果。在进行IR优化后生成的.ll文件，依然可以进行优化生成回应的汇编代码。在不同的节点上都可以进行优化。

3. 总结llvm编译流程

• 单独新建一个main.m文件

int test(int a,int b){

    return a + b + 3;

}

int main(int argc, const char * argv[]) {

    int a = test(1, 2);

    printf("%d",a);

    return 0;[图片上传中...(image.png-1984f6-1624280414052-0)]

}

• 通过命令clang -ccc-print-phases main.m

//输入文件：找到源文件

+- 0: input, "main.m", objective-c

//预处理阶段：处理包括宏的替换，头文件的导入

+- 1: preprocessor, {0}, objective-c-cpp-output

//编译阶段：进行词法、语法分析，检测语法是否正确，最终生成IR

+- 2: compiler, {1}, ir

//后端：LLVM会通过一个一个的Pass去优化，每个Pass做些事情，最终生成汇编代码

+- 3: backend, {2}, assembler

//生成目标文件

+- 4: assembler, {3}, object

//链接：链接需要的动态库和静态库，生成可执行文件

+- 5: linker, {4}, image

//通过不同的架构，生成对应的可执行文件

6: bind-arch, "x86_64", {5}, image

1、预处理阶段

预处理阶段是进行宏的替换和头文件的导入，我们可以通过下面命令来查看导入和替换情况

//在终端直接查看替换结果

clang -E main.m

//生成对应的文件查看替换后的源码

clang -E main.m >> main2.m

• typedef给数据类型取别名时，在预处理阶段不会被替换
• define的取的别名在预处理阶段会被替换，所有我们可以用这方法来进行关键代码混淆，例如将关键类和方法用系统类似的名称取别名

2、编译阶段

编译阶段主要是进行：词法、语法分析和代码错误检查，然后生成中间代码IR

（1）词法分析

预处理完成后就会进行词法分析，会把代码切成一个个Token，比如大小括号，等于号还有字符串等

• 通过下面命令查看词法分析后结果

clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m

 

 

 词法分析

• 如果头文件找不到，我们可以通过下面命令指定sdk

clang -isysroot （自己SDK路径） -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m

clang -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator14.1.sdk/ -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m

（2）语法分析

验证语法是否正确，在词法分析的基础上将单词序列组合成各类语法短语，如程序、语句、表达式等等，然后将所有节点组成抽象语法树（Abstract Syntax Tree,AST）。语法分析程序判断源程序在结构上是否正确

• 我们可以通过下面命令查看语法分析的结果

clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m

 

 

 语法分析

• 如果导入头文件找不到，可以指定SDK

clang -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator14.1.sdk/ -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m

下面是几个关键字的含义

• -FunctionDecl 函数
• -ParmVarDecl 参数
• -CallExpr 调用一个函数
• -BinaryOperator 运算符

（3）生成中间代码IR

代码生成器（Code Generaltion）会将语法树自顶向下遍历逐步翻译成LLVM IR，OC代码会在这一步进行runtime的桥接：property合成，ARC处理等

• 我们可以通过下面命令生成.ll的文本文件，来查看IR代码

clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m

IR基本语法
@ 全局标识
% 局部标识
alloca 开辟空间
align 内存对齐
i32 32bit，4个字节
store 写入内存
load 读取数据
call 调用函数
ret 返回

 

 

 

 

  IR代码

• IR文件在OC中是可以进行优化的，一般设置是在target - Build Setting - Optimization Level（优化器等级）中设置。LLVM的优化级别分别是-O0 -O1 -O2 -O3 -Os(第一个是大写英文字母O)，下面是带优化的生成中间代码IR的命令

clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o main.ll

 

 

 优化后的IR代码

• xcode7以后开启bitcode，苹果会做进一步优化，生成.bc的中间代码，我们通过优化后的IR代码生成.bc代码

clang -emit-llvm -c main.ll -o main.bc

 

 

 .bc代码

3、后端

LLVM在后端主要是会通过一个个的Pass去优化，每个Pass做一些事情，最终生成汇编代码

• 我们通过最终的.bc或者.ll代码生成汇编代码

clang -S -fobjc-arc main.bc -o main.s 

clang -S -fobjc-arc main.ll -o main.s

• 生成的汇编代码也可以进行优化

clang -Os -S -fobjc-arc main.m -o main.s

 

 

 汇编代码main.s

4、生成目标文件

是汇编器以汇编代码作为插入，将汇编代码转换为机器代码，最后输出目标文件（object file）

clang -fmodules -c main.s -o main.o

• 通过nm命令，查看main.o中的符号

xcrun nm -nm main.o

 

 

 main.o中的符号

• external表示这个符号是可以外部访问的
• _printf函数是一个是undefined 、external 的
• undefined表示在当前文件暂时找不到符号_printf

5、链接

链接主要是链接需要的动态库和静态库

• 静态库和可执行文件合并
• 动态库是独立链接

链接器会吧编译生成的.o文件和(.dylib.a)文件，生成一个mach-o文件

clang main.o -o main

查看链接后的符号

xcrun nm -nm main

如下所示，其中undefined表示会在运行时进行动态绑定

 

 

 mach-o文件符号

6、绑定

绑定主要是通过不同的架构，生成对应的mach-o格式可执行文件

总结

 

 

 LLVM编译流程

参考文献链接：https://www.jianshu.com/p/f8c523b0f56b

 

 

 

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From： https://www.cnblogs.com/wujianming-110117/p/17026469.html