LLVM從小白到放棄（一）- LLVM概述與LLVM環境搭建

LLVM的歷史

LLVM計劃啓動於2000年，開始由美國UIUC大學的Chris Lattner博士主持開展，後來Apple也加入其中。最初的目的是開發一套提供中間代碼和編譯基礎設施的虛擬系統。
LLVM命名最早源自於底層虛擬機（Low Level Virtual Machine）的縮寫，隨着LLVM項目的不斷髮展，原先的全稱已不再適用，目前LLVM就是該項目的全稱。

什麼是LLVM

廣義：LLVM是一個包括了很多模塊的編譯器框架。
狹義：LLVM特指LLVM項目中的LLVM Core和Clang子模塊。
簡單來收，可以將LLVM理解成爲一個現代化、可擴展的編譯器。

GCC的編譯流程

GCC分爲三個模塊：前端、優化器和後端

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LLVM本質上也是三段式：

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LLVM的編譯流程

一個具體的例子：

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LLVM相對於GCC的優勢

優勢1：模塊化

LLVM：LLVM是高度模塊化設計的，每一個模塊都可以從LLVM項目中抽離出來單獨使用。
GCC：而GCC雖然也是三段式編譯，但各個模塊之間是難以抽離出來單獨使用的。

優勢2：可擴展

LLVM：LLVM爲開發者提供了豐富的API，例如開發者可以通過LLVM Pass框架干預中間代碼優化過程，並且配備了完善的文檔
GCC：雖然GCC是開源的，但要在GCC的基礎上進行擴展門檻很高、難度很大

LLVM編譯過程總結

對於C/C++程序來說，LLVM的編譯過程如圖所示：

LLVM環境搭建

Ubuntu/LLVM/CMake版本

Ubuntu 20.04
LLVM 12.0.1 / 9.0.9svn(ndkr21e)
Cmake 3.21.1

第一步：下載LLVM-Core和Clang源代碼

https://github.com/llvm/llvm-project/releases/tag/llvmorg-12.0.1

clang-12.0.1.src.tar.xz

llvm-12.0.1.src.tar.xz

下載、解壓、並重命名，並在同一目錄下新建build文件夾，如下：

第二步：編譯LLVM項目

在同一文件夾內創建build.sh文件，內容如下：

cd build 

cmake -G "Unix Makefiles" -DLLVM_ENABLE_PROJECTS="clang" -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release -DLLVM_TARGETS_TO_BUILD="X86" -DBUILD_SHARED_LIBS=On ../llvm 

make 

make install

cmake 參數解釋：

-G “Unix Makefiles”：生成Unix下的Makefile
-DLLVM_ENABLE_PROJECTS=“clang”：除了 LLVM Core 外，還需要編譯的子項目。
-DLLVM_BUILD_TYPE=Release：在cmake裏，有四種編譯模式：Debug, Release, RelWithDebInfo, 和MinSizeRel。使用 Release 模式編譯會節省很多空間。
-DLLVM_TARGETS_TO_BUILD=“X86”：默認是ALL，選擇X86可節約很多編譯時間。
-DBUILD_SHARED_LIBS=On：指定動態鏈接 LLVM 的庫，可以節省空間。

LLVM基本用法

第一步：將源代碼轉化成LLVM IR

#include "iostream"



using namespace std;



int main() {

    cout << "Hello World!" << endl;



    return 0;

}

LLVM IR 有兩種表現形式，一種是人類可閱讀的文本形式，對應文件後綴爲 .ll ；另一種是方便機器處理的二進制格式，對應文件後綴爲 .bc 。使用以下命令將源代碼轉化爲 LLVM IR：

clang -S -emit-llvm hello.cpp -o hello.ll

或

clang -c -emit-llvm hello.cpp -o hello.bc

; ModuleID = 'hello.cpp'

source_filename = "hello.cpp"

target datalayout = "e-m:e-p270:32:32-p271:32:32-p272:64:64-i64:64-f80:128-n8:16:32:64-S128"

target triple = "x86_64-unknown-linux-gnu"



%"class.std::ios_base::Init" = type { i8 }

%"class.std::basic_ostream" = type { i32 (...)**, %"class.std::basic_ios" }

%"class.std::basic_ios" = type { %"class.std::ios_base", %"class.std::basic_ostream"*, i8, i8, %"class.std::basic_streambuf"*, %"class.std::ctype"*, %"class.std::num_put"*, %"class.std::num_get"* }

%"class.std::ios_base" = type { i32 (...)**, i64, i64, i32, i32, i32, %"struct.std::ios_base::_Callback_list"*, %"struct.std::ios_base::_Words", [8 x %"struct.std::ios_base::_Words"], i32, %"struct.std::ios_base::_Words"*, %"class.std::locale" }

%"struct.std::ios_base::_Callback_list" = type { %"struct.std::ios_base::_Callback_list"*, void (i32, %"class.std::ios_base"*, i32)*, i32, i32 }

%"struct.std::ios_base::_Words" = type { i8*, i64 }

%"class.std::locale" = type { %"class.std::locale::_Impl"* }

%"class.std::locale::_Impl" = type { i32, %"class.std::locale::facet"**, i64, %"class.std::locale::facet"**, i8** }

%"class.std::locale::facet" = type <{ i32 (...)**, i32, [4 x i8] }>

%"class.std::basic_streambuf" = type { i32 (...)**, i8*, i8*, i8*, i8*, i8*, i8*, %"class.std::locale" }

%"class.std::ctype" = type <{ %"class.std::locale::facet.base", [4 x i8], %struct.__locale_struct*, i8, [7 x i8], i32*, i32*, i16*, i8, [256 x i8], [256 x i8], i8, [6 x i8] }>

%"class.std::locale::facet.base" = type <{ i32 (...)**, i32 }>

%struct.__locale_struct = type { [13 x %struct.__locale_data*], i16*, i32*, i32*, [13 x i8*] }

%struct.__locale_data = type opaque

%"class.std::num_put" = type { %"class.std::locale::facet.base", [4 x i8] }

%"class.std::num_get" = type { %"class.std::locale::facet.base", [4 x i8] }



@_ZStL8__ioinit = internal global %"class.std::ios_base::Init" zeroinitializer, align 1

@__dso_handle = external hidden global i8

@_ZSt4cout = external dso_local global %"class.std::basic_ostream", align 8

@.str = private unnamed_addr constant [13 x i8] c"Hello World!\00", align 1

@llvm.global_ctors = appending global [1 x { i32, void ()*, i8* }] [{ i32, void ()*, i8* } { i32 65535, void ()* @_GLOBAL__sub_I_hello.cpp, i8* null }]



; Function Attrs: noinline uwtable

define internal void @__cxx_global_var_init() #0 section ".text.startup" {

  call void @_ZNSt8ios_base4InitC1Ev(%"class.std::ios_base::Init"* nonnull dereferenceable(1) @_ZStL8__ioinit)

  %1 = call i32 @__cxa_atexit(void (i8*)* bitcast (void (%"class.std::ios_base::Init"*)* @_ZNSt8ios_base4InitD1Ev to void (i8*)*), i8* getelementptr inbounds (%"class.std::ios_base::Init", %"class.std::ios_base::Init"* @_ZStL8__ioinit, i32 0, i32 0), i8* @__dso_handle) #3

  ret void

}



declare dso_local void @_ZNSt8ios_base4InitC1Ev(%"class.std::ios_base::Init"* nonnull dereferenceable(1)) unnamed_addr #1



; Function Attrs: nounwind

declare dso_local void @_ZNSt8ios_base4InitD1Ev(%"class.std::ios_base::Init"* nonnull dereferenceable(1)) unnamed_addr #2



; Function Attrs: nounwind

declare dso_local i32 @__cxa_atexit(void (i8*)*, i8*, i8*) #3



; Function Attrs: noinline norecurse optnone uwtable mustprogress

define dso_local i32 @main() #4 {

  %1 = alloca i32, align 4

  store i32 0, i32* %1, align 4

  %2 = call nonnull align 8 dereferenceable(8) %"class.std::basic_ostream"* @_ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc(%"class.std::basic_ostream"* nonnull align 8 dereferenceable(8) @_ZSt4cout, i8* getelementptr inbounds ([13 x i8], [13 x i8]* @.str, i64 0, i64 0))

  %3 = call nonnull align 8 dereferenceable(8) %"class.std::basic_ostream"* @_ZNSolsEPFRSoS_E(%"class.std::basic_ostream"* nonnull dereferenceable(8) %2, %"class.std::basic_ostream"* (%"class.std::basic_ostream"*)* @_ZSt4endlIcSt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIT_T0_ES6_)

  ret i32 0

}



declare dso_local nonnull align 8 dereferenceable(8) %"class.std::basic_ostream"* @_ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc(%"class.std::basic_ostream"* nonnull align 8 dereferenceable(8), i8*) #1



declare dso_local nonnull align 8 dereferenceable(8) %"class.std::basic_ostream"* @_ZNSolsEPFRSoS_E(%"class.std::basic_ostream"* nonnull dereferenceable(8), %"class.std::basic_ostream"* (%"class.std::basic_ostream"*)*) #1



declare dso_local nonnull align 8 dereferenceable(8) %"class.std::basic_ostream"* @_ZSt4endlIcSt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIT_T0_ES6_(%"class.std::basic_ostream"* nonnull align 8 dereferenceable(8)) #1



; Function Attrs: noinline uwtable

define internal void @_GLOBAL__sub_I_hello.cpp() #0 section ".text.startup" {

  call void @__cxx_global_var_init()

  ret void

}



attributes #0 = { noinline uwtable "disable-tail-calls"="false" "frame-pointer"="all" "less-precise-fpmad"="false" "min-legal-vector-width"="0" "no-infs-fp-math"="false" "no-jump-tables"="false" "no-nans-fp-math"="false" "no-signed-zeros-fp-math"="false" "no-trapping-math"="true" "stack-protector-buffer-size"="8" "target-cpu"="x86-64" "target-features"="+cx8,+fxsr,+mmx,+sse,+sse2,+x87" "tune-cpu"="generic" "unsafe-fp-math"="false" "use-soft-float"="false" }

attributes #1 = { "disable-tail-calls"="false" "frame-pointer"="all" "less-precise-fpmad"="false" "no-infs-fp-math"="false" "no-nans-fp-math"="false" "no-signed-zeros-fp-math"="false" "no-trapping-math"="true" "stack-protector-buffer-size"="8" "target-cpu"="x86-64" "target-features"="+cx8,+fxsr,+mmx,+sse,+sse2,+x87" "tune-cpu"="generic" "unsafe-fp-math"="false" "use-soft-float"="false" }

attributes #2 = { nounwind "disable-tail-calls"="false" "frame-pointer"="all" "less-precise-fpmad"="false" "no-infs-fp-math"="false" "no-nans-fp-math"="false" "no-signed-zeros-fp-math"="false" "no-trapping-math"="true" "stack-protector-buffer-size"="8" "target-cpu"="x86-64" "target-features"="+cx8,+fxsr,+mmx,+sse,+sse2,+x87" "tune-cpu"="generic" "unsafe-fp-math"="false" "use-soft-float"="false" }

attributes #3 = { nounwind }

attributes #4 = { noinline norecurse optnone uwtable mustprogress "disable-tail-calls"="false" "frame-pointer"="all" "less-precise-fpmad"="false" "min-legal-vector-width"="0" "no-infs-fp-math"="false" "no-jump-tables"="false" "no-nans-fp-math"="false" "no-signed-zeros-fp-math"="false" "no-trapping-math"="true" "stack-protector-buffer-size"="8" "target-cpu"="x86-64" "target-features"="+cx8,+fxsr,+mmx,+sse,+sse2,+x87" "tune-cpu"="generic" "unsafe-fp-math"="false" "use-soft-float"="false" }



!llvm.module.flags = !{!0}

!llvm.ident = !{!1}



!0 = !{i32 1, !"wchar_size", i32 4}

!1 = !{!"clang version 12.0.1"}

第二步：優化LLVM IR

使用opt指令對LLVM IR進行優化

opt -load LLVMObfuscator.so -hlw -S hello.ll -o hello_opt.ll

-load 加載特定的LLVM Pass（集合）進行優化（通常爲.so文件）
-hlw是LLVM Pass中自定義的參數，用來指定使用哪個Pass進行優化

第三步：編譯LLVM IR爲可執行文件

這一步我們通過Clang完成，從LLVM IR到可執行文件中間還有一系列複雜的流程，Clang幫助我們整合了這個過程

clang hello_opt.ll -o hello

參考

https://www.kanxue.com/book-section_list-88.htm

LLVM從小白到放棄（一）- LLVM概述與LLVM環境搭建

LLVM的歷史

什麼是LLVM

GCC的編譯流程

LLVM的編譯流程

LLVM相對於GCC的優勢

優勢1：模塊化

優勢2：可擴展

LLVM編譯過程總結

LLVM環境搭建

Ubuntu/LLVM/CMake版本

第一步：下載LLVM-Core和Clang源代碼

第二步：編譯LLVM項目

LLVM基本用法

第一步：將源代碼轉化成LLVM IR

第二步：優化LLVM IR

第三步：編譯LLVM IR爲可執行文件

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