1. LLVM

1.1 LLVM概述

LLVM是架构编译器的框架系统，以C++编写而成，用于优化任意程序语言编写的程序的编译时间（compile-time）、链接时间（link-time）、运行时间（run-time）以及空闲时间（idle-time）。对开发者保持开放，并兼容已有脚本。目前LLVM已经被苹果IOS开发工具，Xilinx Vivado， Facebook，Google等各大公司采用。

1.2 传统编译器设计

源码 Source Code + 前端 Frontend + 优化器 Optimizer + 后端 Backend（代码生成器 CodeGenerator）+ 机器码 Machine Code，如下图所示

• 前端Frontend：负责解析源代码，它会进行：词法分析、语法分析、语义分析，检查源代码是否存在错误。然后构建针对语言的抽象语法树（AST：Abstract Syntax Tree。LLVM 的前端还会生成中间代码（intermediate representation，简称IR）。

• 优化器 Optimizer：优化器负责进行各种优化，改善代码的运行时间，例如消除冗余计算等；

• 后端 Backend（代码生成器 Code Generator）：将代码映射到目标指令集，生成机器代码，并且进行机器代码相关的代码优化；

1.3 ios的编译器架构

OC、C、C++使用的编译器前端是Clang，Swift是swift，后端都是LLVM，如下图所示

1.4 LLVM的设计

LLVM设计的最重要方面是，使用通用的代码表示形式（IR），它是用来在编译器中表示代码的形式，所有LLVM可以为任何编程语言独立编写前端，并且可以为任意硬件架构独立编写后端，做到了前后端分离如下所示

传统的编译器，前端，优化器和后端是连在一起的，是一个项目。但是在llvm中，前端和后端分开了，两者中间有一个通用的中间层，也就是IR。前端解析源代码，然后词法分析、语法分析、语义分析、AST等工作完成之后，生成IR输出给优化器，优化器负责优化IR代码，然后后端接受IR代码后根据需要适配的设备生成X86、ARM64等。所以，当出现一个新设备，只需要研发一个新设备的后端。出现一个高级语言，就研发高级语言的前端。这样就能支持所有的语言和设备。

1.5 Clang

clang是LLVM项目中的一个子项目，它是基于LLVM架构图的轻量级编译器，诞生之初是为了替代GCC，提供更快的编译速度，它是负责C、C++、OC语言的编译器，属于整个LLVM架构中的 编译器前端，对于开发者来说，研究Clang可以给我们带来很多好处

2. 编译流程

可以通过以下命令打印源码的编译阶段：

clang -ccc-print-phases main.m

这里新建一个后通过命令打印源码的编译阶段：

• 0 - 输入文件：找到源文件
• 1 - 预处理阶段：这个过程处理包括宏的替换，头文件的导入
• 2 - 编译阶段：进行词法分析、语法分析、检测语法是否正确，最终生成IR
• 3 - 后端：这里LLVM会通过一个一个的pass去优化，每个pass做一些事情，最终生成汇编代码
• 4 - 汇编代码生成目标文件
• 5 - 链接：链接需要的动态库和静态库，生成可执行文件
• 6 - 绑定：通过不同的架构，生成对应架构的可执行文件

在main.m中输入一些代码。

然后通过 指令clang -E main.m >> main1.m生成预处理之后的文件。

开头是一些宏展开和.h文件的展开。

然后最后看到main函数，这里成C没有了，变成了30.

所以我们得出：

• typedef不是预处理指令，也就是说：typedef可以给数据类型取别名，但是在预处理阶段不会被替换掉。
• define则在预处理阶段会被替换，所以经常被是用来进行代码混淆，目的是为了app安全。

3. 编译阶段

编译阶段会进行词法分析、语法分析、检测语法是否正确，最终生成IR。

3.1 词法分析

预处理完成后就会进行词法分析，这里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。 通过下列指令来查看词法分析

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

词法分析结果：

3.2 语法分析

词法分析完成后就是语法分析，它的任务是验证语法是否正确，在词法分析的基础上将单词序列组合成各类词法短语，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），语法分析程序判断程序在结构上是否正确。

通过下列指令来查看语法分析

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

得到下面的结果（这里面的地址是虚拟地址，还没开辟内存，可以看作是文件的偏移地址）：

• FunctionDecl ：函数方法声明。
• ParmVarDecl: 参数声明。
• CompoundStmt：复合语句。
• CallExpr：函数调用。
• BinaryOperator： 运算符。
• ImplicitCastExpr：函数指针。
• DeclRefExpr：函数类型。

3.3 生成中间代码IR

完成以上步骤后，就开始生成中间代码IR了，代码生成器（Code Generation）会将语法树自顶向下遍历逐步翻译成LLVM IR。

简化一下代码：

然后通过下列指令来生成 .ll 的文本文件，查看IR代码。

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

生成IR代码如下（这一步会进行语法检查）：

• @：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

上面的IR代码是没有经过优化的，所以会比较长。 LLVM的优化级别分别是: -O0 , -O1 , -O2 , -O3 , -Os 。 可以在xcode里面 target -> Build Settings -> optimization Level 设置优化等级。

输入下列指令来生成优化后的IR代码。

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

下面是优化后的IR代码，可以明显看出来代码少了很多。优化等级并不是越高越好的，一般情况下，debug模式下是不进行优化的，而在release模式下是-Os 优化等级。

3.4 bitCode

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。Bitcode的目的是根据不同的CPU架构，苹果能够在APPStore直接下载不同的架构的包。

输入下列指令来生成bc代码。

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

4. 生成汇编代码

到了这一步，这里就到了backend。这里LLVM会通过一个一个的pass去优化，每个pass做一些事情，最终生成汇编代码。

我们通过生成的.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

这里分别通过main.ll，main.bc，main.m来生成汇编之后进行对比。

main.bc生成的汇编代码：

main.ll生成的汇编代码：

main.m生成的汇编代码：

这里发现通过main.bc 和 main.ll 生成的汇编代码都是54行，说明并没有额外进行代码优化。main.m是没有经过优化的源码，转化为汇编后则多了几行代码。那么这里的代码是否还能进行优化呢？试一下。 输入以下代码

clang -Os -S -fobjc-arc main.bc -o main3.s

这是指令运行后得到的代码，发现比之前的又少了几行，这就说明：当选定了优化等级了之后，在不同的节点上，还能进行优化。

5. 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插入，将汇编代码转换为机器代码，最后输出目标文件（object file）。

通过以下指令来生产.o文件

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

可以通过nm命令，查看下main.o中的符号

$xcrun nm -nm main.o

指令执行后发现输出下面的结果：

• _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
• external表示这个符号是外部可以访问的

这里为什么undefined了呢？因为这里调用了外部的方法，这个时候就需要链接了。

6. 生成可执行文件(链接)

链接主要是链接需要的动态库和静态库，生成可执行文件。

连接器把编译生成的.o文件和 .dyld .a文件链接，生成一个mach-o文件

clang main.o -o main

查看链接之后的符号

$xcrun nm -nm main

指令执行后得到下面的结果：

这里看到有两个undefined，一个是_printf，一个是dyld_stub_binder，但是后面都有(from libSystem)。这里的dyld_stub_binder也是一个外部函数，在dyld里面，当mach-o 进入到内存之后，外部符号就会和binder进行绑定。这个过程是dyld强制绑定的，这里就是去绑定_printf。 链接就是要知道内部的符号是在外面的哪个库里面。绑定就是将外面的函数的地址和内部的符号进行绑定。链接在编译期，绑定在执行期。所以只要链接就一定有一个外部函数也就是dyld_stub_binder。

7. clang 插件

7.1 LLVM下载

	由于国内网络限制，需要借助镜像下载llvm的源码链接: [link](https://mirror.tuna.tsinghua.edu.cn/help/llvm/).
复制代码

下载LLVM项目

git clone https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/git/llvm/llvm.git

在LLVM的tool目录下下载Clang

cd llvm/tools
git clone https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/git/llvm/clang.git

在LLVM的projects目录下下载compiler-rt、libcxx、libcxxabi

cd ../projects
git clone https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/git/llvm/compiler-rt.g it
git clone https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/git/llvm/libcxx.git git clone 
https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/git/llvm/libcxxabi.git

在Clang的tools下安装extra工具

cd ../tools/clang/tools
git clone https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/git/llvm/clang-tools-extra.git

7.2 LLVM 编译

由于最新的LLVM只支持cmake来编译，所以需要安装cmake

查看brew是否安装cmake，如果已经安装，则跳过下面步骤

brew list

通过brew安装cmake

brew install cmake

7.3 编译LLVM

通过xcode编译LLVM

• cmake编译成Xcode项目

mkdir build_xcode
cd build_xcode
cmake -G Xcode ../llvm

• 使用xcode编译Clang

选择手动创建schemes

编译（CMD + B），选择ALL_BUILD Secheme进行编译，预计1+小时。

通过ninja编译LLVM

使用ninja进行编译则还需要安装ninja，使用以下命令安装ninja

brew install ninja

在LLVM源码根目录下新建一个build_ninja目录，最终会在build_ninja目录下生成``build.ninja`

在LLVM源码根目录下新建llvm_release目录，最终编译文件会在llvm_release文件夹路径下

cd llvm_build
//注意DCMAKE_INSTALL_PREFIX后面不能有空格
cmake -G Ninja ../llvm -DCMAKE_INSTALL_PREFIX= 安装路径（本机为/ Users/xxx/xxx/LLVM/llvm_release）

依次执行编译，安装指令

ninja
ninja install

7.4 创建插件

在/llvm/tools/clang/tools下新建插件LSPlugin

在/llvm/tools/clang/tools目录下的CMakeLists.txt文件，新增add_clang_subdirectory(LSPlugin)。

在LSPlugin目录下新建 LSPlugin.cpp 和CMakeLists.txt，并在CMakeLists.txt中加上以下代码

add_llvm_library( HKPlugin MODULE BUILDTREE_ONLY
  LSPlugin.cpp
)

接下来利用cmake重新生成Xcode项目，在build_xcode目录下执行以下命令

cmake -G Xcode ../llvm

最后可以在LLVM的xcode项目中可以看到Loadable modules目录下由自定义的LSPlugin目录了，然后可以在里面编写插件代码了。

面试基础

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知识详解

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