热门问题
时间线
聊天
视角
LLVM
多种编程语言的编译器后端 来自维基百科，自由的百科全书
Remove ads
LLVM是一套编译器基础设施项目，为自由软件，以C++写成，包含一系列模块化的编译器组件和工具链，用来开发编译器前端和后端。任意一种编程语言通过它实现出来的编译器，都能利用上它在编译时期、链接时期、执行时期以及“闲置时期”进行的优化。
它最早以C/C++为实现对象，而目前它已支持包括ActionScript、Ada、D语言、Fortran、GLSL、Haskell、Java字节码、Objective-C、Swift、Python、Ruby、Crystal、Rust、Scala[2]、Standard ML[3]以及C#[4]等语言。
Remove ads
历史
LLVM项目的发展起源于2000年伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的维克拉姆·艾夫（Vikram Adve）与克里斯·拉特纳（Chris Lattner）的研究，他们想要为所有静态及动态语言创造出动态的编译技术。LLVM是以BSD许可来发展的开源软件。2005年，苹果电脑雇用了克里斯·拉特纳及他的团队为苹果电脑开发应用程序系统[5]，LLVM为现今macOS及iOS开发工具的一部分。
LLVM的命名最早源自于底层虚拟机（Low Level Virtual Machine）的首字母缩写[6]，由于这个项目的范围并不局限于建立一个虚拟机，这个缩写导致了广泛的疑惑。LLVM开始成长之后，成为众多编译工具及低端工具技术的统称，使得这个名字变得更不贴切，开发者因而决定放弃这个缩写的意涵[7]，现今LLVM已单纯成为一个系统，适用于LLVM下的所有项目，包含LLVM中间表示（LLVM IR）、LLVM调试工具、LLVM C++标准函数库等。
因LLVM对产业的贡献，计算机协会于2012年将ACM软件系统奖授与维克拉姆·艾夫、克里斯·拉特纳和Evan Cheng[8]。
自9.0.0版本开始，LLVM使用带有LLVM额外条款的Apache许可证2.0进行授权[9]。而从2019年10月开始，LLVM项目的代码托管正式迁移到了GitHub[10]。
Remove ads
描述
LLVM提供了一套适合编译器系统的中间表示（Intermediate Representation，IR），有大量变换和优化都围绕其实现。经过变换和优化后的中间语言，可以转换为目标平台相关的汇编语言代码。LLVM可以和GCC工具链一起工作，允许它与为该项目编写的大量现有编译器一起使用。
LLVM还可以在编译、链接时生成可重定位代码（Relocatable Code），甚至在运行时生成二进制机器码。
LLVM支持与语言无关的指令集架构及类型系统[11]。每个指令都处在静态单赋值形式（SSA）下代表着，每个变量（被称为具有类型的寄存器）仅被赋值一次，这简化了变量间相依性的分析。LLVM允许代码遵循传统GCC系统的方式而被静态的编译，或者以类似JAVA等后期编译的方式，通过即时编译（JIT）将IF编译成机器代码。
LLVM的类型系统包含基本类型（整数或是浮点数）及五个复合类型（指针、数组、向量、结构及函数），具体语言的类型，可以在LLVM中用基本类型的组合来表示，举例来说，C++所使用的类，可以被表示为结构、函数和函数指针的数组的混合。
LLVM JIT编译器可以优化程序在执行期之时去除所不需要的静态分支，这在一些部分求值（Partial Evaluation）的案例中相当有效，即当程序有许多选项，而在特定环境下其中多数可被判断为是不需要的。这个特色被使用在Mac OS X Leopard（v10.5）底下OpenGL的流水线，当硬件不支持某个功能时依然可以被成功地运作[12]。
OpenGL堆栈下的绘图程序被编译为中间表示，接着在机器上执行时被编译，当系统拥有高阶GPU时，这段程序会进行极少的修改并将传递指令给GPU，当系统拥有低端的GPU时，LLVM将会编译更多的程序，使这段GPU无法执行的指令在本地端的中央处理器执行。LLVM增进了使用Intel GMA芯片等低端机器的性能。一个类似的系统发展于Gallium3D LLVMpipe，它已被合并到GNOME，使其可运行在没有GPU的环境[13]。
根据2011年的一项测试，GCC在执行时期的性能平均比LLVM高10%[14][15]。而2013年测试显示，LLVM可以编译出接近GCC相同性能的执行码[16]。
Remove ads
组件
LLVM已经成为多个编译器和代码生成相关子项目的母项目。
LLVM最初被用来取代GCC中的代码产生器[17]，许多GCC的前端已经可以与其运行，LLVM目前支持Ada、C语言、C++、D语言、Fortran、Haskell、Julia、Objective-C、Rust及Swift的编译，它使用许多的编译器，有些来自4.0.1及4.2的GCC。
LLVM引发一些人来为许多语言开发新的编译器，其中一个最引发注意的就是Clang，它是一个新的编译器，同时支持C、Objective-C以及C++。主要来自苹果电脑的支持，Clang的目的用以取代GCC系统底下的C/Objective-C编译器，在当代的系统，他较为容易与集成开发环境（IDE）集成，而且对于线程有更好的支持。Clang从3.8版本开始已经支持OpenMP[18]。GCC底下Objective-C的开发已经停滞，而苹果电脑已经将其支持移至其他的维护分支。
Utrecht Haskell编译器可以产生LLVM使用的代码，但它还在初期的开发阶段，并且在许多案例，展示他比起C代码产生器拥有更好的效率[19] Glasgow Haskell Compiler（GHC）拥有一个可以运作的LLVM后端，程序执行性能对比起原先的编译器可以达到30%的加速，它仅比一个由GHC所实现，并拥有多项优化技术的编译器还慢[20]
还有其他的组件在不同的开发阶段，包含（但不限于）Java字节码[21]、通用中间语言（CIL）、MacRuby（Ruby 1.9实现）、Standard ML及新的图着色寄存器分配器[22]。
Remove ads
LLVM的核心是中间表示（Intermediate Representation，IR），一种类似汇编的底层语言。IR是一种强类型的精简指令集（RISC），并对目标指令集进行了抽象。例如，目标指令集的函数调用惯例被抽象为call和ret指令加上明确的参数。另外，IR采用无限个数的暂存器，使用如%0，%1等形式表达。LLVM支持三种表达形式：人类可读的汇编格式，适合前端的在内存中的格式和用作序列化的紧密bitcode格式。
例如，一个简单的Hello World程序可以表达为如下的汇编形式。对IR语言的完整描述请参考LLVM官方文档[23]：
@.str = internal constant [14 x i8] c"hello, world\0A\00"
declare i32 @printf(i8*, ...)
define i32 @main(i32 %argc, i8** %argv) nounwind {
entry:
%tmp1 = getelementptr [14 x i8], [14 x i8]* @.str, i32 0, i32 0
%tmp2 = call i32 (i8*, ...) @printf( i8* %tmp1 ) nounwind
ret i32 0
}
LLVM计划还介入了另一种类型的中间表示名为MLIR[24]，它通过采用叫做“方言”的插件架构来帮助建造可重用且可扩展的编译器下部构造[25]。
Remove ads
截至版本16，LLVM已经支持多种后端指令集，包括IA-32、x86-64、ARM、Qualcomm Hexagon、LoongArch、M68K、MIPS、Nvidia PTX（在LLVM文档中也称为NVPTX）、PowerPC、AMD TeraScale[26]、新近的AMD GPU（在LLVM文档中也叫做AMDGPU）、SPARC、SystemZ、RISC-V、z/Architecture和XCore。
LLVM还支持WebAssembly为其目标，使得编译后的程序可以在启用WebAssembly的环境中运行，比如Google Chrome/Chromium、Firefox、Microsoft Edge、Apple Safari或WAVM虚拟机[27]。合规于LLVM的WebAssembly编译器，典型的支持多种语言的几乎不需修改的源代码，包括：C、C++、D、Rust、Nim、Kotlin和其它一些语言。
LLVM包含一个专门的MC模块，将机器指令在文字形式和机器码形式间相互转换。在之前LLVM依靠系统或是平台专门的工具链将汇编翻译为机器码。LLVM机器码的集成汇编器已经支持绝大多数LLVM的目标平台。
Remove ads
lld链接器子项目旨在为LLVM开发一个内置的，平台独立的链接器[28]，去除对所有第三方链接器的依赖。在2017年5月，lld已经支持ELF、PE/COFF、Mach-O和WebAssembly。在lld支持不完全的情况下，用户可以使用其他项目，如GNU ld链接器。 lld支持链接时优化。当LLVM链接时优化被启用时，LLVM可以输出bitcode而不是本机代码，而本机代码生成由链接器优化处理。
另见
参考文献
外部链接
Wikiwand - on
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Remove ads