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LLVM（Low Level Virtual Machine）介绍

news 2025/10/11 5:38:18

因为用了一下numba库，效果很好，得知其底层是LLVM，便一起学习了以下，顺带做个分享~

LLVM（Low Level Virtual Machine）是一个开源的编译器基础设施项目，它提供了一套可重用的编译器工具链技术。以下是关于LLVM的详细介绍：

1. LLVM概述

基本概念

名称来源：最初代表"Low Level Virtual Machine"，但现在已不再强调这个全称
核心思想：提供模块化、可重用的编译器和工具链组件
创始：由Chris Lattner在伊利诺伊大学香槟分校发起，现在由LLVM基金会管理

主要特点

模块化设计：各个组件可以独立使用
中间表示（IR）：统一的代码表示形式
跨平台支持：支持多种CPU架构和操作系统
开源社区：拥有活跃的开源社区贡献

2. LLVM架构组成

核心组件

前端 → LLVM IR → 优化器 → 后端 → 目标代码

2.1 前端（Frontend）

作用：将源代码转换为LLVM IR
支持的语言：
- Clang (C/C++/Objective-C)
- Swift
- Rust
- Kotlin
- 以及其他语言的前端

2.2 LLVM IR（中间表示）

; 示例LLVM IR代码
define i32 @add(i32 %a, i32 %b) {
entry:%result = add i32 %a, %bret i32 %result
}

IR特点：

静态单赋值形式（SSA）
强类型系统
平台无关
可读的文本格式和高效的二进制格式

2.3 优化器（Optimizer）

作用：对IR进行各种优化
优化级别：-O0到-O3，-Os（大小优化）
优化技术：
- 死代码消除
- 内联展开
- 循环优化
- 常量传播等

2.4 后端（Backend）

作用：将优化后的IR转换为目标机器代码
支持的目标架构：
- x86/x86-64
- ARM
- PowerPC
- MIPS
- RISC-V等

3. LLVM工具链

主要工具

# 编译器前端
clang -  C/C++/Objective-C编译器# IR工具
llvm-as - 将LLVM IR文本汇编为二进制格式
llvm-dis - 将LLVM IR二进制反汇编为文本格式
opt - LLVM IR优化器# 后端工具
llc - LLVM静态编译器
lli - LLVM IR解释器和JIT编译器# 其他工具
llvm-link - LLVM IR链接器
llvm-ar - LLVM归档器
llvm-objdump - 目标文件反汇编器

4. 实际应用场景

4.1 编程语言开发

// 使用LLVM API创建简单函数的示例
#include "llvm/IR/Function.h"
#include "llvm/IR/IRBuilder.h"
#include "llvm/IR/Module.h"using namespace llvm;Module* createSampleModule() {auto module = new Module("test", getGlobalContext());// 创建函数类型: int add(int, int)FunctionType *funcType = FunctionType::get(Type::getInt32Ty(getGlobalContext()),{Type::getInt32Ty(getGlobalContext()), Type::getInt32Ty(getGlobalContext())},false);// 创建函数Function *func = Function::Create(funcType,Function::ExternalLinkage,"add",module);return module;
}

4.2 JIT编译

// 简单的JIT编译示例
#include "llvm/ExecutionEngine/ExecutionEngine.h"
#include "llvm/ExecutionEngine/JIT.h"void simpleJITExample() {// 创建模块和函数Module* module = createSampleModule();// 创建JIT执行引擎ExecutionEngine* engine = EngineBuilder(module).create();// 获取函数指针并执行void* addFunc = engine->getPointerToFunction(module->getFunction("add"));// 调用编译后的函数...
}

5. LLVM生态系统

工业应用

Apple：Xcode工具链的核心（取代GCC）
Google：Android NDK，TensorFlow
NVIDIA：CUDA编译器
Mozilla：Rust编译器后端
很多其他公司：AMD, Intel, ARM等

6. LLVM的优势

技术优势

模块化设计

// 可以单独使用各个组件
Module* module = parseSourceCode(source);
optimizeModule(module, OptimizationLevel::O2);
TargetMachine* target = createTargetMachine();
emitObjectCode(module, target);

统一的中间表示
- 所有语言共享相同的优化器和后端
- 新的语言只需要实现前端

优秀的诊断信息

# Clang提供清晰的错误信息
$ clang -c test.c
test.c:5:10: error: use of undeclared identifier 'undefined_var'
return undefined_var;^

快速编译
- Clang通常比GCC编译更快
- 内存占用更低

7. 学习资源

入门资料

官方文档：llvm.org/docs
教程：LLVM Kaleidoscope教程
书籍：《LLVM Cookbook》

开发环境设置

# 获取LLVM源码
git clone https://github.com/llvm/llvm-project.git# 构建LLVM
cd llvm-project
mkdir build && cd build
cmake -DLLVM_ENABLE_PROJECTS="clang" ../llvm
make -j$(nproc)

8. 实际用例：创建简单编译器

// 使用LLVM创建简单计算器编译器
class SimpleCalculatorCompiler {LLVMContext context;IRBuilder<> builder;std::unique_ptr<Module> module;public:SimpleCalculatorCompiler() : builder(context) {module = std::make_unique<Module>("simple_calc", context);}Function* createAddFunction() {// 创建加法函数FunctionType* funcType = FunctionType::get(Type::getInt32Ty(context),{Type::getInt32Ty(context), Type::getInt32Ty(context)},false);Function* func = Function::Create(funcType,Function::ExternalLinkage,"add",module.get());// 创建基本块和代码BasicBlock* entry = BasicBlock::Create(context, "entry", func);builder.SetInsertPoint(entry);// 获取参数Value* arg1 = &*func->arg_begin();Value* arg2 = &*(std::next(func->arg_begin()));// 创建加法指令Value* result = builder.CreateAdd(arg1, arg2, "addresult");builder.CreateRet(result);return func;}
};