LLVM (изначальная расшифровка — LLVMdev: The name of LLVM , Chris Lattner (Apple), 2011-12-21 «„LLVM“ is officially no longer an acronym. The acronym it once expanded too was confusing, and inappropriate almost from day 1.»; на данный момент официально не имеет расшифровки) — проект программной инфраструктуры для создания компиляторов и сопутствующих им утилит. Состоит из набора компиляторов из языков высокого уровня (так называемых фронтендов), системы оптимизации, интерпретации и компиляции в машинный код. В основе инфраструктуры используется RISC-подобная платформонезависимая система кодирования машинных инструкций (байткод LLVM IR), которая представляет собой высокоуровневый ассемблер, с которым работают различные преобразования.
Написан на C++, обеспечивает оптимизации на этапах компиляции, компоновки и исполнения. Изначально в проекте были реализованы компиляторы для языков Си и C++ при помощи фронтенда Clang, позже появились фронтенды для множества языков, в том числе: ActionScript, Ада, C#, Common Lisp, Crystal, CUDA, D, Delphi, Dylan, Fortran, Graphical G Programming Language, Halide, Haskell, Java (байткод), JavaScript, Julia, Kotlin, Lua, Objective-C, OpenGL Shading Language, Ruby, Rust, Scala, Swift, Xojo, Zig.
LLVM может создавать машинный код для множества архитектур, в том числе ARM, x86, x86-64, PowerPC, MIPS, SPARC, RISC-V и других (включая GPU от Nvidia и AMD).
Некоторые проекты имеют собственные LLVM-компиляторы (например LLVM-версия GCC), другие используют инфраструктуру LLVM, например таков Glasgow Haskell Compiler.
Разработка начата в 2000 году в Университете Иллинойса. К середине 2010-х годов LLVM получил широкое распространение в индустрии: использовался, в том числе, в компаниях Adobe, Apple и Google. В частности, на LLVM основана подсистема OpenGL в Mac OS X 10.5, а iPhone SDK использует препроцессор (фронтенд) GCC с бэкэндом на LLVM. Apple и Google являются одними из основных спонсоров проекта, а один из основных разработчиков — Крис Латтнер — 11 лет проработал в Apple (с 2017 года — в Tesla Motors, с 2020 года — в разработчике процессоров и микроконтроллеров на архитектуре RISC-V SiFive).
Особенности В основе LLVM лежит промежуточное представление кода (), над которым можно производить трансформации во время компиляции, компоновки и выполнения. Из этого представления генерируется оптимизированный машинный код для целого ряда платформ как статически, так и динамически (JIT-компиляция). LLVM 9.0.0 поддерживает статическую генерацию кода для x86, x86-64, ARM, PowerPC, SPARC, MIPS, RISC-V, Qualcomm Hexagon, NVPTX, SystemZ, Xcore. JIT-компиляция (генерация машинного кода во время исполнения) поддержана для архитектур x86, x86_64, PowerPC, MIPS, SystemZ и частично ARMThe LLVM Target-Independent Code Generator раздел Target Feature Matrix.
LLVM написана на C++ и портирована на большинство Unix-подобных систем и Windows. Система имеет модульную структуру, отдельные её модули могут быть встроены в различные программные комплексы, она может расширяться дополнительными алгоритмами трансформации и кодогенераторами для новых аппаратных платформ.
В LLVM включена обёртка API для OCaml.
Платформы LLVM поддерживает работу на следующих платформах: Операционная системаАрхитектураКомпиляторLinuxx86/AMD64GCC, ClangFreeBSDx86/AMD64GCC, ClangOpenBSDx86/AMD64GCC, ClangmacOSPowerPCGCCmacOSx86/AMD64GCC, ClangSolarisUltraSPARCGCCCygwin/Win32x86GCC 3.4.X, Binutils 2.15MinGW/Win32x86GCC 3.4.X, Binutils 2.15
LLVM имеет частичную поддержку следующих платформ: Операционная системаАрхитектураКомпиляторAIXPowerPCGCCLinuxPowerPCGCCAmigaOSm68k, PowerPCGCCWindowsx86MSVC
Типы данных
Простые типы Целые числа произвольной разрядности iразрядность i1 — булево значение — 0 или 1 i32 — 32-разрядное целое i17 i256 Генерация машинного кода для типов очень большой разрядности не поддерживается. Но для промежуточного представления никаких ограничений нет. Числа считаются представленными в дополнительном коде. Различий между знаковыми и беззнаковыми целыми на уровне типов не делается: в тех случаях, когда это имеет значение, с ними работают разные инструкции.Числа с плавающей точкойfloat, double, типы, специфичные для конкретной платформы (например, x86_fp80)Пустое значениеvoid
Производные типы Указатели тип* i32* — указатель на 32-разрядное целое Массивы [число элементов x тип] [10 x i32] [8 x double] Структуры { i32, i32, double } Вектор — специальный тип для упрощения SIMD-операций. Вектор состоит из 2n значений примитивного типа — целого или с плавающей точкой. < число элементов x тип > < 4 x float > — вектор XMM Функции i32 (i32, i32) float ({ float, float }, { float, float })
Система типов поддерживает суперпозицию/вложенность, то есть можно использовать многомерные массивы, массивы структур, указатели на структуры и функции и т. д.
Операции Большинство инструкций в LLVM принимает два аргумента (операнда) и возвращает одно значение (трёхадресный код). Значения определяются текстовым идентификатором. Локальные значения обозначаются префиксом %, а глобальные — @. Локальные значения также называют регистрами, а LLVM — виртуальной машиной с бесконечным числом регистров. Пример: %sum = add i32 %n, 5 %diff = sub double %a, %b %z = add <4 x float> %v1, %v2 ; поэлементное сложение %cond = icmp eq %x, %y ; Сравнение целых чисел. Результат имеет тип i1. %success = call i32 @puts(i8* %str)
Тип операндов всегда указывается явно и однозначно определяет тип результата. Операнды арифметических инструкций должны иметь одинаковый тип, но сами инструкции «перегружены» для любых числовых типов и векторов.
LLVM поддерживает полный набор арифметических операций, побитовых логических операций и операций сдвига, а также специальные инструкции для работы с векторами.
LLVM IR строго типизирован, поэтому существуют операции приведения типов, которые явно кодируются специальными инструкциями. Набор из 9 инструкций покрывает все возможные приведения между различными числовыми типами: целыми и с плавающей точкой, со знаком и без, различной разрядности и пр. Кроме этого, есть инструкции преобразования между целыми и указателями, а также универсальная инструкция для приведения типов bitcast (ответственность за корректность таких преобразований возлагается на программиста).
Память Помимо значений-регистров, в LLVM есть и работа с памятью. Значения в памяти адресуются типизированными указателями. Обратиться к памяти можно с помощью двух инструкций: load и store.
Инструкция malloc транслируется в вызов одноимённой системной функции и выделяет память в куче, возвращая значение — указатель определённого типа. В паре с ней идёт инструкция free.
%struct.ptr = malloc { double, double } %string = malloc i8, i32 %length %array = malloc [16 x i32] free i8* %string
Инструкция alloca выделяет память на стеке.
%x.ptr = alloca double ; %x.ptr имеет тип double* %array = alloca float, i32 8 ; %array имеет тип float*, а не [8 x float]!
Память, выделенная alloca, автоматически освобождается при выходе из функции при помощи инструкций ret или unwind.
Операции с указателями Для вычисления адресов элементов массивов, структур и т. д. с правильной типизацией используется инструкция getelementptr.
%array = alloca i32, i32 %size %ptr = getelementptr i32* %array, i32 %index ; значение типа i32*
getelementptr только вычисляет адрес, но не обращается к памяти. Инструкция принимает произвольное количество индексов и может разыменовывать структуры любой вложенности.
Также существует инструкции extractvalue и insertvalue. Они отличаются от getelementptr тем, что принимают не указатель на агрегатный тип данных (массив или структуру), а само значение такого типа. extractvalue возвращает соответственное значение подэлемента, а insertvalue порождает новое значение агрегатного типа.
%n = extractvalue { i32, [4 x i8*] } %s, 0 %tmp = add i32 %n, 1 %s.1 = insertvalue { i32, [4 x i8*] } %s, i32 %tmp, 0
Примечания
Литература
(перевод) , Часть 2
Ссылки
SAFECode libJIT Linear Scan Register Allocator
Категория:Свободное программное обеспечение, написанное на C++ Категория:Виртуальные машины Категория:Свободные компиляторы и интерпретаторы Категория:Компиляторы Ады Категория:Компиляторы Си Категория:Компиляторы C++ Категория:Компиляторы C Sharp Категория:Свободное кроссплатформенное программное обеспечение