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

LLVM
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。

事实速览 原作者, 开发者 ...

它最早以C/C++为实现对象,而目前它已支持包括ActionScriptAdaD语言FortranGLSLHaskellJava字节码Objective-CSwiftPythonRubyCrystalRustScala[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macOSiOS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英语Relocation (computing)(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,可以被表示为结构函数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。

前端

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AdaC语言C++D语言FortranHaskellJuliaObjective-CRustSwift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英语MacRuby(Ruby 1.9实现)、Standard ML及新的图着色寄存器分配器[22]

Remove ads

中间表示

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callret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英语MLIR (software)[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

后端

截至版本16,LLVM已经支持多种后端指令集,包括IA-32x86-64ARMQualcomm Hexagon英语Qualcomm HexagonLoongArchM68KMIPSNvidia PTX英语Parallel Thread Execution(在LLVM文档中也称为NVPTX)、PowerPCAMD TeraScale英语TeraScale (microarchitecture)[26]、新近的AMD GPU(在LLVM文档中也叫做AMDGPU)、SPARCSystemZRISC-Vz/Architecture英语z/ArchitectureXCore英语XMOS

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/ChromiumFirefoxMicrosoft EdgeApple 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

链接器

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ELFPE/COFFMach-OWebAssembly。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。

C++标准库

LLVM项目包含一个C++标准库的实现(libcxx),具有MIT许可证UIUC许可证英语University of Illinois/NCSA Open Source License的双许可协议。[29]

另见

参考文献

外部链接

Loading related searches...

Wikiwand - on

Seamless Wikipedia browsing. On steroids.

Remove ads