1. Мир LLVM
Вадим Евард, 445 группа
01.02.13

2. Сегодняшний доклад
● Что есть LLVM;
● LLVM IR;
● Оптимизация;
● Кодогенерация;
● Сопутствующие проекты;
● Clang.

3. Определения
● универсальная система анализа,
трансформации и оптимизации программ;
● compiler infrastructure designed for compile-
time, link-time, run-time, and "idle-time"
optimization of programs written in arbitrary
programming languages;
● an umbrella project that hosts and develops
a set of close-knit, low-level toolchain
components (assemblers, compilers,
debuggers, etc.)

4. Основные идеи
● Чёткие интерфейсы;
● Реализация в виде переиспользуемых
библиотек;
● Универсальное промежуточное
представление (IR).

5. Архитектура компилятора

6. Примеры проблем GCC
● Back end обходит AST для создания
генерации отладочной информации;
● Формирование front end'ом структур
данных back end'а;
● Использование глобальных переменных;
● Магические макросы;
● Трудности с выводом промежуточных
результатов.

7. История
● 2000 - запуск исследовательского проекта
в University of Illinois;
● 2003 - Открыт LLVM 1.0;
● 2007 - Открыт Clang frontend;
● 2008 - LLVM GCC 4.2 в составе Apple
Xcode;
● 2009 - Clang 1.0, LLVM 2.6, сборка ядер
BSD-систем, полноценная поддержка
C++, ObjC;
● 2010-2012 - сборка Linux, 91% пакетов
Debian, основной компилятор FreeBSD.

8. Intermediate Representation: идея
● Предназначен для промежуточного
анализа и оптимизирующих
преобразований;
● Тщательно специфицирован;
● Полное и единственное представление
кода для оптимизатора и кодогенератора.

9. Intermediate Representation: детали
● RISC-подобный набор инструкций;
● Строгая типизация;
● Бесконечный набор временных
переменных;
● Абстрагирование архитектурных
особенностей (например, соглашения о
вызовах).

10. Intermediate Representation:
пример
define i32 @add1(i32 %a, i32 %b) {
entry:
%tmp1 = add i32 %a, %b
ret i32 %tmp1
}
define i32 @add2<i32 %a, i32 %b) {
entry:
%tmp1 = icmp eq i32 %a, 0
br i1 %tmp1, label %done, label %recurse
recurse:
%tmp2 = sub i32 %a, 1
%tmp3 = add i32 %b, 1
%tmp4 = call i32 @add2(i32 %tmp2, i32 %tmp3)
ret i32 %tmp4
done:
ret i32 %b
}

11. Тот же код на Си
unsigned add1(unsigned a, unsigned b) {
return a+b;
}
unsigned add2(unsigned a, unsigned b) {
if (a == 0) return b;
return add2(a-1, b+1);
}

12. Intermediate Representation:
формы
● Текст (program.ll);
● Рабочее представление (в оперативной
памяти, обрабатывается оптимизатором);
● Компактное представление для
сохранения на диск (биткод, program.bc).
.ll <-> .bc: llvm-as, llvm-dis.

13. Оптимизирующий проход
● Сопоставление с образцом;
● Проверка корректности;
● Замена кода на преобразованный.
// X - 0 -> X
if (match(Op1, m_Zero()))
return Op0;
// X - X -> 0
if (Op0 == Op1)
return Constant::getNullValue(Op0->getType());
// (X*2) - X -> X
if (match(Op0, m_Mul(m_Specific(Op1), m_ConstantInt<2>())))
return Op1;
…
return 0; // Nothing matched, return null to indicate no transformation.

14. Снова архитектура

15. Оптимизатор составляется из
отдельных проходов

16. Кодогенерация для разных
платформ
Снова максимальное переиспользование
кода:
● Выбор инструкций;
● Выделение регистров;
● Упорядочение инструкций;
● Генерация машинного кода.

17. Декларативное описание целевых
платформ

18. Ъ Unix Way
● Не монолитный, переиспользуемый код:
программы и библиотеки выполняют свою
задачу и взаимодействуют друг с другом;
● Инструмент, а не политика.

19. Link (and Install) Time Optimization

20. Подпроекты LLVM
● LLVM Core;
● Clang aka LLVM Native;
● Dragonegg (замена LLVM-GCC);
● LLDB (отладчик);
● libc++;
● vmkit (Java- и .NET-машины);
● libclc -реализация OpenCL;
● klee - символьная виртуальная машина;
● SAFECode - безопасная работа с памятью
без сборщика мусора.

21. Clang: цели
● Лёгкость разработки и поддержки;
● Либеральная лицензия;
● Интеграция с IDE;
● Подробные сообщения об ошибках;
● Быстрая, требующая мало памяти
компиляция;
● Поддержка стандартов C, ObjC, C++ и
языковых расширений GCC;
● ...

22. Заявленные преимущества перед
GCC
● Современная, понятная архитектура и
реализация;
● Предоставление API, простота
переиспользования;
● Сериализация AST;
● Скорость, малое потребление памяти;
● Лучшая поддержка C++;
● ...

23. Производительность Clang

24. Родственные проекты
● Emscripten - компилятор IR в JavaScript;
● qt.js aka Emscripten-qt;
● S2E - selective symbolic execution;
● MAO - дизассемблер из x86 в IR;
● llvmpipe - реализация OpenGL;
● cling - интерпретатор C++;
● qling - cling с поддержкой Qt;
● Компиляторы.

25. Спасибо за внимание!
http://www.drdobbs.com/architecture-and-
design/the-design-of-llvm/240001128