Hcsm lect-20120913

FROM SOURCE TO BINARY
How Compiler Works

From source to binary
從原始碼到二進制 Luse Cheng
ソースからバイナリへ Sep 13, 2012 / 新竹碼農
Von Quelle Zu Binären
Luse Cheng
De source au binaire
Jim Huang
Desde fuente a binario March 31, 2011 / 北科大
Binarium ut a fonte

自我介紹
 經歷
 Compiler Eng. at MediaTek Inc. (2011~Present)
 Compiler Lead at Andes Technology Corporation (2011~2011)
 Compiler Eng. at Andes Technology Corporation (2007~2011)

 國民革命軍軍人 (Andes Technology Corporation)
 從事 Compiler / Toolchain 研究, 開發
 從事 Android 開發
 從事 Open Source 工作 (GCC … etc)

 專門打雜的 Compiler 工程師 (MediaTek Inc.)
 應徵的時候是 LLVM 工程師
 事實上是專門打雜, Debug 的 Compiler 工程師

關於今天的演講
 摘要
 簡短的介紹從原始碼到二進制的流程
 三大步驟
 Compiler Driver
 從原始碼到二進制的重要推手: 編譯器
 課本中的編譯器
 真實世界的編譯器
 GCC
 LLVM

春秋: 微言大義
 隱公元年: 夏,五月,鄭伯克段於鄢

 短短幾個字,影含著諸多含意
 段不弟,故不言弟
 如二君,故曰克
 稱鄭伯,譏失教也

 為什麼要了解從原始碼到二進制
 電腦科學所有的問題都可以用另外一層的抽象化來解
決 (All problems in computer science can be solved by
another level of indirection)
 了解背後的運作原理, 破解微言大義

微言大義:
現代Linux環境, 程式啟動流程
動態連結
Shell 靜態連結 hello

./hello ld-linux.so

動態連結器
eglibc
libc_start_main main
execve

exit
SYS_execve SYS_exit

kernel
驗證執行檔啟動loader 棄置Process

配置Process

從原始碼到二進制:
常見的誤解
 從原始碼到二進制,其實不只需要 Compiler
 真相: 需要很多 Tool 同心協力一起完成 (Toolchain)
 真正的Compiler 其實只做下面的事…

軟體硬體
Source Code HDL Source
A compiler is a computer
program (or set of programs)
Design Compiler (DC) that transforms source code
Compiler (gcc, llvm)
RTL Compiler (RC) written in a programming
language (the source language)
Selecting Technology into another computer
Instruction Mapping language (the target language,
often having a binary form
Assembly Netlist known as object code)
source : http://en.wikipedia.org/wiki/Compiler

編譯 Hello world 程式的流程
C program: hello.c 原始碼三大步驟

Compiler (CC1) 編譯器
編譯
Assembly File: hello.s 組合語言

Assembler (AS) 組譯器組譯

Object File: hello.o 目的檔

連結
Linker (LD) 連結器

Executable: hello 執行檔

圖解簡易完整編譯流程
#include <stdio.h>
int main() {
printf (“Hello World”);
}

stdio.h int printf (const char* fmt, …);
main:
Preprocess int main() { Compile LDR R1, [R2 + 12]
printf (“Hello World”); BAL printf
}

libc.a 0x1000 <printf>:
EC 00 00 12
Main: …
Assemble EC 00 00 12 Linking
F0 ?? ?? ?? 0x2000 <Main>:
EC 00 00 12
F0 00 10 00

常見的誤解: GCC 是個 C 編譯器 gcc
答案: GCC 是一個 Compiler Driver
binutils
gcc Source (.c and .h) glibc

cpp
Preprocessed source (.i or .ii)
cc1
Asm (.s)
as
Reloadable (.o)
collect2

library

crt* Binary
ld (Executable)
link script
GCC 這個執行檔, 可以當Compiler, 也能當 Preprocessor,
也能當 Assembler, 更能當 Linker

Example: GCC 下給 ld 的參數
 collect2 version 4.4.3 (i386 Linux/ELF)

/usr/bin/ld --build-id --eh-frame-hdr -m elf_i386 --hash-style=both
-dynamic-linker /lib/ld-linux.so.2 -z relro /usr/lib/gcc/i486-linux-
gnu/4.4.3/../../../../lib/crt1.o /usr/lib/gcc/i486-linux-
gnu/4.4.3/../../../../lib/crti.o /usr/lib/gcc/i486-linux-
gnu/4.4.3/crtbegin.o -L/usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.4.3 -
L/usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.4.3 -L/usr/lib/gcc/i486-linux-
gnu/4.4.3/../../../../lib -L/lib/../lib -L/usr/lib/../lib -L/usr/lib/gcc/i486-
linux-gnu/4.4.3/../../.. hello.o -v -lgcc --as-needed -lgcc_s --no-as-
needed -lc -lgcc --as-needed -lgcc_s --no-as-needed /usr/lib/gcc/i486-
linux-gnu/4.4.3/crtend.o /usr/lib/gcc/i486-linux-
gnu/4.4.3/../../../../lib/crtn.o
GNU ld (GNU Binutils for Ubuntu) 2.20.1-system.20100303

如果有人想當你的程式碼
那你怎樣才能做她的編譯器 (Compiler) ?
 什麼是編譯器?
 Source Language ->
Target Language

 Recognizer: 讀懂她
 Translator: 轉譯她
 Optimization: 調教她

High Level Language

Compiler

Optimized Low Level Language

編譯器小歷史:
 First compiler (1952)
 第一個編譯器
 A-0, Grace Murray Hopper
 First complete compiler (1957)
 第一個完整的編譯器
 Fortran, John Backus (18-man years) Grace Hopper, inventor of
A-0, COBOL, and the
 First multi-arch compiler (1960) term “compiler.”
 第一個多平台編譯器
 Cobol, Grace Murray Hopper el al.
 The first self-hosting compiler (1962)
 第一個能自己編譯自己的編譯器
 LISP, Tim Hart and Mike Levin
Image source:
http://www-history.mcs.st-and.ac.uk/PictDisplay/Hopper.html
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/55/Grace_Hopper.jpg/300px-Grace_Hopper.jpg

先有雞還是先有蛋
 先有C語言還是先有C編譯器

 一個有趣的故事:
 Ken Thompson : Reflections on Trusting Trust
(Compiling a compiler)

 Cross-compiling and Boot-strapping
 用X語言 (like Fortran or ASM) 寫一個C-的編譯器
 用C-寫一個C的編譯器
 用 C 寫一個C的編譯器

編譯器的架構 (Textbook)
原始碼

字彙分析 (正規語言)

語法分析 (Context-Free Grammar)

語法樹

語意分析 (Type Checking ..etc)

中間語言

最佳化

目標語言

 屠龍刀: Syntax Directed Translator

編譯器技術=屠龍之技
 莊子: 列禦寇第三十二
 朱泙漫學屠龍於支離益，單千金之家，三年技成而無
所用其巧。

 用白話說就是有個人花了很多錢和時間學了屠龍
技能, 後來發現沒有龍可以殺

 不過隨著硬體的發展,軟體的複雜度提升,這個世界
上的龍也越來越多了

while (y < z) {
int x = a + b;
y += x;
} How Compiler Works
T_While

T_LeftParen 原始碼
T_Identifier y

T_Less 字彙分析 (正規語言)
T_Identifier z

T_RightParen 語法分析 (Context-Free Grammar)
T_OpenBrace

T_Int 語法樹
T_Identifier x

T_Assign
T_Identifier a

T_Plus
中間語言
T_Identifier b

T_Semicolon

T_Identifier y
最佳化
T_PlusAssign

T_Identifier x 目標語言
T_Semicolon

T_CloseBrace
http://www.stanford.edu/class/cs143/

while (y < z) {
int x = a + b;
y += x;
原始碼

字彙分析 (正規語言)


語法樹


中間語言

最佳化

目標語言


while (y < z) {
int x = a + b;
y += x;
原始碼
Loop: x=a+b
y=x+y 字彙分析 (正規語言)
_t1 = y < z
if _t1 goto Loop

x=a+b 語法樹
Loop: y=x+y
_t1 = y < z 語意分析 (Type Checking ..etc)
if _t1 goto Loop
中間語言
add $1, $2, $3
loop: add $4, $1, $4 最佳化
slt $6, $1, $5
beq $6, loop
目標語言


真實世界中的編譯器
GCC, the GNU Compiler Collection
 海灣合作委員會 (X)

 GNU Compiler Collection (O)

目前最多(*)使用者使用的Compiler(?)

真實世界中的編譯器
GCC, the GNU Compiler Collection
 從 GNU C Compiler 到 GNU Compiler Collection
 支援多種語言 (7), 多種處理器平台 (30+) (GCC 4.6.0)
 GCC 4.6.0 支援 GO 程式語言 (GCC-GO)
 GCC 4.6.0 超過 2 百萬行程式碼
 開放原始碼編譯器平台

 GCC = Compiler Driver
 CC1 = 真正的 C Compiler

GCC 的架構
 課本終究還是課本

 GCC 的特性與挑戰: int main()
 GCC 支援多種語言 (前端) {
return 0;
 GCC 支援多種處理器 (後端) IamDeadCode();
 Syntax Directed Translator }
 程式的語法樹結構將無法和處理器架構脫鉤

 仔細想想: 有些最佳化和語言跟平台都沒有關係
 消除沒有用到的程式碼 (Dead code elimination)

 所以 GCC 引入中間層最佳化 (編譯器相關最佳化)

GCC 的解決之道 (GCC 4.0 以後)
C Source C Front-End

C++ Source C++ Front-End
Generic 語言相關

Gimplify

Gimple 編譯器相關
Tree SSA
Optimizer

RTL
RTL 平台相關
Target ASM Optimizer
Code Generator IR

資料流程分析 (Data-flow analysis)
 為什麼需要資料流程分析

 Q: 兩個指令怎樣才能交換位置 (Code Motion)
 A: 如果兩個指令沒有相依性的話

 資料流程分析 = 偵測指令相依性
 Reaching definition for a given instruction is another
instruction, the target variable of which may reach the
given instruction without an intervening assignment
 Compute use-def chains and def-use chains

Code Motion & Pointer Aliasing
 C 語言中阻擋 Compiler 最佳化的一大原因
 Pointer Aliasing: 兩個不同的指標指到同一個記憶體位置
while (y < z) { int t1 = a + b;
int x = a + b; while (y < z) {
y += x; y += t1;
} }

Q: How about this?
void foo(int *a, int *b, int *y, int z) {
while (*y < z) {
int x = *a + *b;
*y += x;
}
}

 A: Compiler 不能把*a + *b 移到迴圈外
 因為不確定使用者會不會這樣使用: foo(&num, &num, &num, 5566);
 這樣 a, b, y 互為別名, *y 的值改變會使 *a , *b 改變, 故不能提出到迴圈外

Strict Aliasing Rule & Restrict Pointer Aliasing
 如果 Pointer Aliasing 無限上綱
 那碰到 Pointer, Compiler 所有的最佳化都動不了
 To or not to do:
 Cross the Rubicon (O)
 蒯通說韓信自立為王 (X)
 Strict Aliasing Rule
 摩登編譯器會假設不同 type 之間的 pointer 是沒有 aliasing 的
 可是世界上存在相當多原始人程式碼, 所以就造成了很多問題
 Note: 使用 -fno-strict-aliasing 來關閉 Strict Aliasing Rule
 C99: Restrict Pointer Aliasing
 使用 restrict 關鍵字 (--std=c99) 來告訴 Compiler 這個 Pointer
不會有 Pointer Aliasing

Static single assignment, SSA Form
 什麼是 SSA Form
 Social Security Administration (X)
Diego Novillo, GCC Internals - IRs
 靜態單賦值形式 (O)
 静的単一代入 (O)

 用白話講, 在這個表示法當中
每個被 Assign 的變數只會出現一次
 作法 1. 每個被Assign的變數給一個
Version number 2. 使用 Φ functions

 Example: (From Wiki)
 INPUT: y = 1, y =2, x = y
 SSA: y1 = 1, y2 = 2, x1 = y2

使用 SSA 可以加強/加快以下的最佳化
 Constant propagation
 Sparse conditional constant propagation
 Dead code elimination
 Global value numbering
 Partial redundancy elimination
 Strength reduction
 Register allocation

SSA @ Constant propagation (常數傳遞)
 用了SSA後每次 Constant propagation 都考100分
 EX: GCC-3.x GCC-4.x Example
GCC-3.x (No-SSA) int main()
{
main: int a = 11,b = 13, c = 5566;
… int i, result;
mov r4, #0 for (i = 0 ; i < 10000 ; i++)
.L5: result = (a*b + i) / (a*c);
mov r1, #61184 return result;
add r0, r4, #143 }
add r1, r1, #42
add r4, r4, #1 GCC-4.x (SSA)
bl __divsi3
cmp r4, r5 main:
ble .L5 mov r0, #0
… bx lr

GCC 前端: Source -> AST -> Generic
 GCC C/C++ frontend
 BISON (3.x) b = (a - 56) / c
 Hand-written Recursive descent parser (4.x)
 C++ in 2004 =
 C and Objective-C in 2006

 辨識 C 原始碼, 並且轉換成剖析樹 b /
(Parsing)

- c
 Abstract Syntax Tree (AST)
 抽象語法樹
 剖析樹 + 語意 a 56
 EX: b = (a - 56) / c

GCC中端: Gimple & Tree SSA Optimizer
 Gimple 是從 Generic Gimplify 而來的
 被限制每個運算只能有兩個運算元 (3-Address IR)
 t1 = A op B ( op is operator like +-*/ … etc )
 被限制語法只能有某些控制流程
 Gimple 可以被化簡成 SSA Form
 可以使用 -fdump-tree-<type>-<option> 來觀看其結構

 Tree SSA Optimizer
 100+ Passes
 Loop, Scalar optimization, alias analysis …etc
 Inter-procedural analysis, Inter-procedural optimization

GCC後端: Register Transfer Language (RTL)
b = a - 56

(set (reg:SI 60 [b])
(plus:SI (reg:SI 61 [a])
(const_int -56 [0xffffffc8])))

 LISP-Style 的表示法
 RTL Uses Virtual Register (無限多個 Register)
 Register Allocation (Virtual Register -> Hard Register)
 Instruction scheduling (Pipeline scheduling)
 GCC Built-in Operation and Arch-defined Operation
 Peephole optimization

GCC後端: RTL Patten Match Engine
(set (reg:SI 60 [b])
MIPS.md (plus:SI (reg:SI 61 [a])
(const_int -56 [0xffffffc8])))
(define_insn "*addsi3"
[(set (match_operand:GPR 0 "register_operand" "=d,d")
(plus:GPR (match_operand:GPR 1 "register_operand" "d,d")
(match_operand:GPR 2 "arith_operand" "d,Q")))]
"!TARGET_MIPS16"
"@
addut%0,%1,%2 d代表是Register
addiut%0,%1,%2" Q代表是整數
[(set_attr "type" "arith")
(set_attr "mode" "si")])

指令的屬性(用於管線排程)
b = a - 56
指令限制(非MIPS16才可使用)
addiu $2, $3, -56

GCC後端 : 暫存器分配
 暫存器分配其實是個著色問題 (NP-Complete)
 給一個無向圖,相鄰的兩個vertex 不能著同一種顏色
 每個 vertex 代表的是一個變數, 每個 edge 代表的是兩個變數的生
存時間有重疊
 GCC 的暫存器分配,其實比著色問題更複雜
 在有些平台,某些指令其實只能搭配某組的暫存器
 其實有些變數是常數,或是 memory form,或是他是參數或回傳值,所
以只能分配到某些特定暫存器
 Old GCC RA: Reload Pass
 GCC 把 pseudo-registers 根據指令的限制對應到硬體暫存器的過程
 其實是個複雜到極點的程式, 所以到最後就沒人看得懂了
 所以後來就重寫了一個
 IRA (Integrated Register Allocator) : 整合 Coalescing, Live range
splitting 以及挑選較好的 Hard Register 的做法

GCC後端 :管線排程
 以經典課本的五級Pipeline 為例子
lw $8, a IF ID EX ME WB IF ID EX ME WB
lw $9, b
Clock 0
mul $10,$8,$8
Clock 1
add $11,$9,$10
Clock 2
lw $12,c
Clock 3
add $13,$12,$0
Clock 4
lw $8, a Clock 5
lw $9, b Clock 6
lw $12,c Clock 7
mul $10,$8,$8 Clock 8
add $13,$12,$0

GCC後端 :管線排程 (續)
 GCC use finite state automaton (FA) based pipeline
scheduling model

GCC後端: Peephole optimization
 以管窺天最佳化法
 掃過整個IR, 看附近2 ~ n 個IR有沒有最佳化的機會
 感覺起來就像是用奧步
 可是如果奧步有用,那就得要好好使用
 在某些時候, 這個最佳化很好用, 尤其要生數據的時候 XD

;; sub rd, rn, #1
;; cmn rd, #1 (equivalent to cmp rd, #-1)
;; bne dest

;; subs rd, rn, #1
;; bcs dest ((unsigned)rn >= 1)

;; This is a common looping idiom (while (n--))

分很多個.c file or not 分很多個.c file
 為什麼要分很多檔案?
 因為要讓事情變得簡單
 為什麼我們在編譯程式的時候可以下 make -j24?
 因為編譯器在Compile 每個 .c 的時候視為獨立個體, 彼
此之間沒有相依性
 用Compiler的術語稱之為 Compilation Unit
 Static Global Variable vs Non-Static Global Variable
 Static: 只有這個 Compilation Unit 可以看到這個變數
 Non-Static: 所有Compilation Unit 可以看到這個變數
 Q: 怎麼使用別的別的 Compilation Unit 內的變數
 A: 使用 extern 關鍵字. EX: extern int i;

深入淺出 Compilation Unit
Compilation Unit
 Compilation Unit 產生的限制
Internal Data
Visible Data  關於沒有人使用的 Static Global
External Data Reference
Variable
 Compiler 可以砍掉它來節省空間
Internal Function
 關於沒有人使用的 Non-Static
Global Variable
Visible Function
 Compiler 不能砍掉它
 因為不能確定別的 Compilation
Unit 會不會用到它
External Func Reference
 Note: 如果確定沒有別的檔案
Internal Function
會使用到這個變數或函式, 請
宣告成 static

Compilation Unit
盡可能使用區域變數
static int i; int main()
int main() {
{ int i;
for (i = 0 ; i < 10; i++) for (i = 0 ; i < 10; i++)
printf ("Hello %dn", i); printf ("Hello %dn", i);
} }

main: main:
mov r3, #0 stmfd sp!, {r4, lr}
11
stmfd sp!, {r4, lr} mov r4, #0
movw r4, #:lower16:.LANCHOR0 .L2:
movt r4, #:upper16:.LANCHOR0 mov r1, r4
mov r1, r3 ldr r0, .L4
str r3, [r4, #0] add r4, r4, #1
.L2: bl printf
ldr r0, .L4 cmp r4, #10
bl printf bne .L2
ldr r1, [r4, #0] ldmfd sp!, {r4, pc}
add r1, r1, #1 .L4:
str r1, [r4, #0] .word .LC0
cmp r1, #9
ble .L2
ldmfd sp!, {r4, pc}
.L4:
.word .LC0

GCC 內建函式 (Built-in Function)
 GCC 為了進行最佳化, 會辨認標準函式(因為語意有
標準規範), 如果符合條件, 就會以處理器最適合的
方式來計算
 Strcpy => x86 字串處理指令
 Printf => Puts, Putc
 Memcpy => Block Transfer Instruction

 這對開發嵌入式系統的人常造成困擾
 因為開發嵌入式系統的人喜歡開發自己殘廢的printf (X)
 因為開發嵌入式系統需要客製化的printf (O)
 Note: 使用 -fno-builtin-XXX or -fno-builtin 來關閉這個功能

IPO (Inter-Procedural Optimization)
 Procedure / Function: 結構化程式的主軸, 增加可用
性, 減少維護成本
 副程式呼叫的執行成本
 準備參數: 把變數移到到特定 Register 或 push 到 Stack
 呼叫副程式, 儲存和回復 Register Context
 現代化程式: 有許多很小的副程式
 int IsOdd(int num) {
return (num & 0x1);
}
 最簡單的 IPO: Function inlining
 簡單來說: 把整個副程式copy 一份到 caller 的程式碼去

IPO (Inter-Procedural Optimization)
 如何 Inline 一個外部函式?
 基本上 Compiler 無法做到
 因為 Compiler 在編譯程式的時候不會去看別的
Compilation Unit 的內容, 不知道內容自然就沒辦法 inline
一個看不見的函式
 解法: Link Time Optimization (LTO)
 或叫: Whole-Program Optimization (WPO)
 關鍵 Link Time Code Generation

Source 1 Compiler IR 1 Linker Full IR Compiler

Source 2 Compiler IR 2
Optimized
Source 3 Compiler IR 3
Program

21世紀的另外一種選擇: LLVM
 LLVM (以前稱為 Low Level Virtual Machine)
 用 “現代“ C++ 寫成的 Compiler infrastructure
 設計來進行全時最佳化 (compile-time, link-time, run-
time, and idle-time optimizations)

 LLVM 起源
 2000年UIUC Vikram Adve 與 Chris
Lattner 的研究發展而成
 後來受到蘋果重用而大發異彩
 蘋果概念股 (?)
 FreeBSD 10 將使用 Clang/LLVM
為預設的編譯器

LLVM: 全時最佳化編譯器平台
GNU Toolchain 的守備範圍  知道原始碼的結構 (O)
編譯階段
 不知道變數的位址 (X)

 不知道原始碼的結構 (X)
連結階段
 知道變數的位址 (O)

 不知道原始碼的結構 (X)
載入/安裝階段
 不知道變數的位址 (X)
 知道處理器有甚麼能力 (O)
執行階段
正所謂是
橫看成嶺側成峰
空閒階段
遠近高低各不同

LLVM核心觀念:
LLVM is a Compiler IR
 既然 Compiler framework 就是要支援多種 Front-end 和
多種 Back-end
 使用 RISC-Like 平台無關的指令 (LLVM Instruction)和資料
(Metadata) 來表達原始碼
 LLVM IR 的三變化 (等價形式)
 In-Memory Form: JIT
 Assembly language representation: ASM format (.ll)
 Bitcode representation: Object code format (.bc)
 特點
 Self-contained Representation 且有良好規範的 Compiler IR
 可以將 Compiler 到一半的結果序列化

LLVM 的架構 : 從原始碼到二進制
LLVM Optimizer
C Front-End BitCode Stream-out
LLVM bitcode Passes Optimized
C++ Front-End LLVM bitcode
Selection DAG
Passes
… Front-End Machine
Passes

Not in LLVM LLVM C/C++ LLVM ARM LLVM x86
Back-End Back-End Back-End

In LLVM C/C++ Source ARM ASM X86 ASM
Use LLVM
Target ARM Object X86 Object

Execution (JIT) Execution (JIT)

LLVM Toolchain (llvm-gcc)
 既然 LLVM 只是一個 Compiler-IR, 就代表 LLVM 在剛
開始的時候是沒有辦法走完整個編譯流程的
 LLVM-GCC (gcc-4.2)
 利用 GCC 已經存在而且眾多大眾使用的 Front-end
 後來 RMS 就出來打槍這種方式 (GCC 4.3, GPLv3)
 後來 Apple 就跳出來發展自己的 Front-end (Clang)

C Source C Front-End
Generic
C++ Source C++ Front-End

Gimplify

Gimple LLVM Bitcode

NOTE: LLVM早期的也沒有自己的 Assembler (後來有 MC) 和 Linker 來建立完整編譯流程

LLVM Toolchain (Clang)
 Clang : C, C++, Objective-C 的編譯器前端
 Apple 為了取代 GCC 重新打造的 Frontend
 重寫一個前端代價是非常昂貴的
 其實你是慣C? 還是慣GCC?
 GNU/Linux 世界使用了 GCC 行之有年的非標準語法
 Clang 設計成模組化 Frontend : Clang C API
 可以 Export AST (Ex: RenderScript 用來產生 Java 的 Binding)
 可以用來實作自動完成, Refactor Tool … etc
 可以用來實作靜態程式碼分析工具 (Linting tool … etc)
 Clang 改善了錯誤訊息 (Expressive diagnostics )
 快速編譯, 低記憶使用量, 容易學習和Hack的 Frontend

範例: Clang Expressive Diagnostics
struct a {
virtual int bar();
};
struct foo : public virtual a {
};
void test(foo *P) {
return P->bar() + *P;
}

g++-4.7
xx.cc: In function 'void test(foo*)':
xx.cc:9:24: error: no match for 'operator+' in '(((a*)P) + ((sizetype)(*(long int*)(P-
>foo::<anonymous>.a::_vptr.a + -32u))))->a::bar() + * P'
xx.cc:9:24: error: return-statement with a value, in function returning 'void' [-fpermissive]

clang-3.1
xx.cc:9:21: error: invalid operands to binary expression ('int' and 'foo')
return P->bar() + *P;
~~~~~~~~ ^ ~~

Clang/LLVM Toolchain
C Source CLANG
Language LLVM Bitcode
C++ Source Optimizer

Binding Script .. etc AST Stream-out

 Clang Compiler Driver
 盡可能和 GCC 相容, 遇到不認識的Option不會停下來
 不需要 Cross Compiler, 本身就有 Cross Compiler 的能力 (?)
 Cross Compiler != Cross Compiler Toolchian

來源: http://www.aosabook.org/en/llvm.html

滅諸侯，成帝業，為天下一統

LLVM 千秋萬世, 一統江湖
 Q:挖賽, Clang + LLVM 那麼神, 其他人不是沒戲唱了嗎
 A: 在這地球上還沒有人能統一天下, LLVM 當然也不行
 Clang 之所以不用產生 Cross Compiler 的迷思
 x86/64 clang 產生出來的LLVM Bitcode, 用 i686 的 llvm
backend 來產生 x86 的機器碼 (-m32)
 可以產生出來, 可是不會動 XD
 C/C++ 不是 Portable Language, 產生出來的 Bitcode 不
Portable 不是也是很正常的事嗎
 LLVM Bitcode 本身就是 Portable (X)
 使用 host triple 來改變產生出來的 LLVM Bitcode (O)

LLVM TableGen (Target Description)
Instruction Encoding (For MC Assembler)
Input/Output
Assembly (For ASMPrinter)
def ADDPS : PI<0x58, Instruction Selection Pattern
(outs VR256:$dst), (For Selection DAG)
(ins VR256:$src1, VR256:$src2),
"addps $src2, $src1, $dst",
[(set VR256:$dst, (fadd VR256:$src1, VR256:$src2))]>;

 編譯器Backend 都有一些很無聊的地方, 用另外一
種語言來表示比直接寫 C/C++ 簡單好 maintain 的
 GCC RTL Pattern : (MD, Machine Description file)
 LLVM TableGen : (TD, Target Description file)

完美Compiler進化論: LLVM的多變化
Source 1 Frontend LLVM IR 1 LLVM Link
IPOed
executable/
Source 2 Frontend LLVM IR 2 LLVM Optimizer
Share object
LLVM ARM
Source 3 Frontend LLVM IR 3
Backend
Compile Time Link Time

Source 1 Frontend LLVM IR 1 LLVM Link LLVM ARM Backend

Source 2 Frontend LLVM IR 2 LLVM Optimizer Processor Specific
executable/
Source 3 Frontend LLVM IR 3 Share object
Compile Time Link Time Load /Installation Time

LLVM IR
PGOed/ Runtime Opted
LLVM Optimizer LLVM ARM Backend executable/ Share object
Profile Data
Idle Time Load Time

LLVM 的發展
 史記: 項羽本紀第七
 太史公曰：吾聞之周生曰「舜目蓋重瞳子」，又聞項羽亦重瞳子。
羽豈其苗裔邪？何興之暴也！
 LLVM 也有兩個 L, 加上一家可以掌握全局垂直整合的公司在後面力
挺, LLVM 也是銳不可擋
 最美好的時代, 最壞得的時代
 LLVM Bitcode 用來當傳遞格式還有很多問題
 Binary Compatibility 最為人所詬病
 http://lists.cs.uiuc.edu/pipermail/llvm-commits/Week-of-Mon-
20120521/143197.html
 CASE STUDY: OpenCL SPIR
 The OpenCL Khronos group proposes to extend LLVM to be the
standard OpenCL IR (called SPIR)
 http://www.khronos.org/registry/cl/specs/spir_spec-1.0-provisional.pdf
 Khronos SPIR For OpenCL Brings Binary Compatibility
 http://www.phoronix.com/scan.php?page=news_item&px=MTE4MzM

相信你的編譯器
 Linux-Kongress 2009: Source Code Optimization
 http://www.linux-kongress.org/2009/slides/compiler_survey_
felix_von_leitner.pdf

 Q: x86 中把一個暫存器清成0
 mov $0,%eax
 and $0,%eax
 sub %eax,%eax
 xor %eax,%eax

 哪道指令最好？

相信你的編譯器: 解答
 x86 的指令是可變長度的:
 b8 00 00 00 00 mov $0,%eax
 83 e0 00 and $0,%eax
 29 c0 sub %eax,%eax
 31 c0 xor %eax,%eax

 So, sub or xor? Turns out, both produce a false
dependency on %eax. But CPUs know to ignore it for
xor.

References
 http://www.redhat.com/magazine/002dec04/features/gcc/
 http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc
 http://en.wikipedia.org/wiki/Interprocedural_optimization
 http://en.wikipedia.org/wiki/Link-time_optimization
 http://llvm.org/
 http://www.aosabook.org/en/llvm.html

Hcsm lect-20120913

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