LLVM (виртуальная машина низкого уровня) — это платформа с открытым исходным кодом и набор инструментов для создания компиляторов. Он не только обеспечивает высокооптимизированное промежуточное представление (IR), но также поддерживает широкий спектр методов оптимизации и генерации внутреннего кода. В этой статье подробно представлены основные концепции, архитектура и сценарии применения LLVM.

1. Предыстория и история LLVM

Первоначально LLVM был основан Крисом Латтнером в 2000 году как его докторский исследовательский проект. Его цель — создать гибкую модульную инфраструктуру компилятора, способную поддерживать исследования и разработки компиляторов. После многих лет разработки LLVM стала одной из инфраструктур компилятора, широко применяемой в промышленности и научных кругах.

2. Обзор архитектуры LLVM

Архитектуру LLVM можно разделить на три основные части: интерфейсную часть, промежуточное представление (IR) и внутреннюю часть.

1. Интерфейс: интерфейс отвечает за преобразование исходного кода в промежуточное представление LLVM. LLVM поддерживает интерфейсы на нескольких языках, таких как Clang (для C/C++), Swift, Rust и т. д.
2. Промежуточное представление (IR): IR LLVM представляет собой строго типизированный набор команд низкого уровня.,Предназначен для оптимизации и генерации кода. IR — это ядро ​​LLVM,Поддерживаются три формы: текстовые, двоичные и структуры данных в памяти.
3. задняя часть：задняя часть Преобразовать IR в целевой машинный код. задняя часть LLVM часть поддерживает несколько архитектур, таких как X86, ARM, PowerPC и т. д.

3. Подробное введение в LLVM IR.

LLVM IR (промежуточное представление) — это ядро ​​структуры LLVM, предназначенное для оптимизации во время компиляции. Он имеет следующие характеристики:

• Форма трехадресного кода: IR использует трехадресную кодовую форму, аналогичную языку ассемблера. Каждая инструкция имеет не более одного операнда и двух операндов.
• Форма статического однократного присвоения (SSA): каждая переменная в IR назначается только один раз. Такая конструкция упрощает и повышает эффективность процесса.
• Строгая система типов: IR имеет строгую систему типов, обеспечивающую безопасность типов во время компиляции.

4. Оптимизатор LLVM

Оптимизатор LLVM — один из самых мощных компонентов, способный выполнять различные оптимизации, в том числе:

• Постоянное распространение: Распространяйте постоянные значения в программе, чтобы уменьшить объем вычислений.
• Устранение мертвого кода: удалите код, который не влияет на результаты программы, чтобы повысить эффективность работы.
• Оптимизация шлейфа: включая расширение шлейфа, замену шлейфа и т. д.,Повышение эффективности выполнения цикла.

5. Сценарии применения LLVM

LLVM используется не только для сборки компиляторов, но и широко применяется в других областях:

1. Инструменты статического анализа: LLVM предоставляет богатый API для поддержки разработки инструментов статического анализа, таких как Clang Static Analyser.
2. JIT-компилятор: функция JIT (компиляция «точно в срок») LLVM используется для компиляции и оптимизации во время выполнения, как это используется в движках JavaScript в веб-браузерах.
3. Моделирование и моделирование оборудования: LLVM используется для генерации кода моделирования на языке описания оборудования (HDL) для ускорения процесса проектирования и проверки оборудования.

6. Заключение

Являясь краеугольным камнем современной инфраструктуры компилятора, LLVM обеспечивает гибкую интерфейсную поддержку, мощное промежуточное представление и эффективные возможности внутренней генерации кода. С помощью LLVM разработчики могут легче создавать высокопроизводительные кроссплатформенные компиляторы и цепочки инструментов, способствуя развитию языков программирования и технологий компиляции.