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[24220] 2015-08-23_为什么人人都该懂点LLVM

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-18
2015-08-23_为什么人人都该懂点LLVM 为 什 么 人 人 都 该 懂 点 L L V M 张 洵 恺   L i n u x 中 国   2 0 1 5 - 0 8 - 2 3 只 要 你 和 程 序 打 交 道 ， 了 解 编 译 器 架 构 就 会 令 你 受 益 无 穷 — — 无 论 是 分 析 程 序 效 率 ， 还 是 模 拟 新 的 处 理 器 和 操 作 系 统 。 通 过 本 文 介 绍 ， 即 使 你 对 编 译 器 原 本 一 知 半 解 ， 也 能 开 始 用 L L V M ， 来 完 成 有 意 思 的 工 作 。 L L V M 是 什 么 ？ L L V M 是 一 个 好 用 、 好 玩 ， 而 且 超 前 的 系 统 语 言 （ 比 如 C 和 C + + 语 言 ） 编 译 器 。 当 然 ， 因 为 L L V M 实 在 太 强 大 ， 你 会 听 到 许 多 其 他 特 性 （ 它 可 以 是 个 J I T ； 支 持 了 一 大 批 非 类 C 语 言 ； 还 是 A p p   S t o r e 上 的 一 种 新 的 发 布 方 式 等 等 ） 。 这 些 都 是 真 的 ， 不 过 就 这 篇 文 章 而 言 ， 还 是 上 面 的 定 义 更 重 要 。 下 面 是 一 些 让 L L V M 与 众 不 同 的 原 因 ： L L V M 的 “ 中 间 表 示 ” （ I R ） 是 一 项 大 创 新 。 L L V M 的 程 序 表 示 方 法 真 的 “ 可 读 ” （ 如 果 你 会 读 汇 编 ） 。 虽 然 看 上 去 这 没 什 么 要 紧 ， 但 要 知 道 ， 其 他 编 译 器 的 中 间 表 示 大 多 是 种 内 存 中 的 复 杂 数 据 结 构 ， 以 至 于 很 难 写 出 来 ， 这 让 其 他 编 译 器 既 难 懂 又 难 以 实 现 。 然 而 L L V M 并 非 如 此 。 其 架 构 远 比 其 他 编 译 器 要 模 块 化 得 多 。 这 种 优 点 可 能 部 分 来 自 于 它 的 最 初 实 现 者 。 尽 管 L L V M 给 我 们 这 些 狂 热 的 学 术 黑 客 提 供 了 一 种 研 究 工 具 的 选 择 ， 它 还 是 一 款 有 大 公 司 做 后 台 的 工 业 级 编 译 器 。 这 意 味 着 你 不 需 要 去 在 “ 强 大 的 编 译 器 ” 和 “ 可 玩 的 编 译 器 ” 之 间 做 妥 协 — — 不 像 你 在 J a v a 世 界 中 必 须 在 H o t S p o t 和 J i k e s 之 间 权 衡 那 样 。 为 什 么 人 人 需 要 懂 点 儿 L L V M ？ 是 ， L L V M 是 一 款 酷 炫 的 编 译 器 ， 但 是 如 果 不 做 编 译 器 研 究 ， 还 有 什 么 理 由 要 管 它 ？ 答 ： 只 要 你 和 程 序 打 交 道 ， 了 解 编 译 器 架 构 就 会 令 你 受 益 ， 而 且 从 我 个 人 经 验 来 看 ， 非 常 有 用 。 利 用 它 ， 可 以 分 析 程 序 要 多 久 一 次 来 完 成 某 项 工 作 ； 改 造 程 序 ， 使 其 更 适 用 于 你 的 系 统 ， 或 者 模 拟 一 个 新 的 处 理 器 架 构 或 操 作 系 统 — — 只 需 稍 加 改 动 ， 而 不 需 要 自 己 烧 个 芯 片 ， 或 者 写 个 内 核 。 对 于 计 算 机 科 学 研 究 者 来 说 ， 编 译 器 远 比 他 们 想 象 中 重 要 。 建 议 你 先 试 试 L L V M ， 而 不 用 h a c k 下 面 这 些 工 具 （ 除 非 你 真 有 重 要 的 理 由 ） ：
架 构 模 拟 器 ； 动 态 二 进 制 分 析 工 具 ， 比 如 P i n ； 源 代 码 变 换 （ 简 单 的 比 如 s e d ， 复 杂 一 些 的 比 如 抽 象 语 法 树 的 分 析 和 序 列 化 ） ； 修 改 内 核 来 干 预 系 统 调 用 ； 任 何 和 虚 拟 机 管 理 程 序 相 似 的 东 西 。 就 算 一 个 编 译 器 不 能 完 美 地 适 合 你 的 任 务 ， 相 比 于 从 源 码 到 源 码 的 翻 译 工 作 ， 它 可 以 节 省 你 九 成 精 力 。 下 面 是 一 些 巧 妙 利 用 了 L L V M ， 而 又 不 是 在 做 编 译 器 的 研 究 项 目 ： U I U C 的 V i r t u a l   G h o s t ， 展 示 了 你 可 以 用 编 译 器 来 保 护 挂 掉 的 系 统 内 核 中 的 进 程 。 U W 的 C o r e D e t 利 用 L L V M 实 现 了 多 线 程 程 序 的 确 定 性 。 在 我 们 的 近 似 计 算 工 作 中 ， 我 们 使 用 L L V M 流 程 来 给 程 序 注 入 错 误 信 息 ， 以 模 仿 一 些 易 出 错 的 硬 件 。 重 要 的 话 说 三 遍 ： L L V M 不 是 只 用 来 实 现 编 译 优 化 的 ！ L L V M 不 是 只 用 来 实 现 编 译 优 化 的 ！ L L V M 不 是 只 用 来 实 现 编 译 优 化 的 ！ 组 成 部 分 L L V M 架 构 的 主 要 组 成 部 分 如 下 （ 事 实 上 也 是 所 有 现 代 编 译 器 架 构 ） ： 前 端 ， 流 程 （ P a s s ） ， 后 端 下 面 分 别 来 解 释 ： 前 端 获 取 你 的 源 代 码 然 后 将 它 转 变 为 某 种 中 间 表 示 。 这 种 翻 译 简 化 了 编 译 器 其 他 部 分 的 工 作 ， 这 样 它 们 就 不 需 要 面 对 比 如 C + + 源 码 的 所 有 复 杂 性 了 。 作 为 一 个 豪 迈 人 ， 你 很 可 能 不 想 再 做 这 部 分 工 作 ； 可 以 不 加 改 动 地 使 用 C l a n g 来 完 成 。 “ 流 程 ” 将 程 序 在 中 间 表 示 之 间 互 相 变 换 。 一 般 情 况 下 ， 流 程 也 用 来 优 化 代 码 ： 流 程 输 出 的 （ 中 间 表 示 ） 程 序 和 它 输 入 的 （ 中 间 表 示 ） 程 序 相 比 在 功 能 上 完 全 相 同 ， 只 是 在 性 能 上 得 到 改 进 。 这 部 分 通 常 是 给 你 发 挥 的 地 方 。 你 的 研 究 工 具 可 以 通 过 观 察 和 修 改 编 译 过 程 流 中 的 I R 来 完 成 任 务 。 后 端 部 分 可 以 生 成 实 际 运 行 的 机 器 码 。 你 几 乎 肯 定 不 想 动 这 部 分 了 。 虽 然 当 今 大 多 数 编 译 器 都 使 用 了 这 种 架 构 ， 但 是 L L V M 有 一 点 值 得 注 意 而 与 众 不 同 ： 整 个 过 程 中 ， 程 序 都 使 用 了 同 一 种 中 间 表 示 。 在 其 他 编 译 器 中 ， 可 能 每 一 个 流 程 产 出 的 代 码 都 有 一 种 独 特 的 格 式 。 L L V M 在 这 一 点 上 对 h a c k e r s 大 为 有 利 。 我 们 不 需 要 担 心 我 们 的 改 动 该 插 在 哪 个 位 置 ， 只 要 放 在 前 后 端 之 间 某 个 地 方 就 足 够 了 。 开 始 让 我 们 开 干 吧 。 获 取 L L V M 首 先 需 要 安 装 L L V M 。 L i n u x 的 诸 发 行 版 中 一 般 已 经 装 好 了 L L V M 和 C l a n g 的 包 ， 你 直 接 用 便 是 。 但 你 还 是 需 要 确 认 一 下 机 子 里 的 版 本 ， 是 不 是 有 所 有 你 要 用 到 的 头 文 件 。 在 O S   X 系 统 中 ， 和 X C o d e 一 起 安 装 的 L L V M 就 不 是 那 么 完 整 。 还 好 ， 用 C M a k e 从 源 码 构 建 L L V M 也 没 有 多 难 。 通 常 你 只 需 要 构 建 L L V M 本 身 ， 因 为 你 的 系 统 提 供 的 C l a n g 已 经 够 用 （ 只 要 版 本 是 匹 配 的 ， 如 果 不 是 ， 你 也 可 以 自 己 构 建 C l a n g ） 。 具 体 在 O S   X 上 ， B r a n d o n   H o l t 有 一 个 不 错 的 指 导 文 章 。 用 H o m e b r e w 也 可 以 安 装 L L V M 。 去 读 手 册 你 需 要 对 文 档 有 所 了 解 。 我 找 到 了 一 些 值 得 一 看 的 链 接 ： 自 动 生 成 的 D o x y g e n 文 档 页 非 常 重 要 。 要 想 搞 定 L L V M ， 你 必 须 要 以 这 些 A P I 的 文 档 维 生 。 这 些 页 面 可 能 不 太 好 找 ， 所 以 我 推 荐 你 直 接 用 G o o g l e 搜 索 。 只 要 你 在 搜 索 的 函 数 或 者 类 名 后 面 加 上 “ L L V M ” ， 你 一 般 就 可 以 用 G o o g l e 找 到 正 确 的 文 档 页 面 了 。 （ 如 果 你 够 勤 奋 ， 你 甚 至 可 以 “ 训 练 ” 你 的 G o o g l e ， 使 得 在 不 输 入 L L V M 的 情 况 下 它 也 可 以 把 L L V M 的 相 关 结 果 推 到 最 前 面 ） 虽 然 听 上 去 有 点 逗 ， 不 过 你 真 的 需 要 这 样 找 L L V M 的 A P I 文 档 — — 反 正 我 没 找 到 其 他 的 好 方 法 。 《 语 言 参 考 手 册 》 也 非 常 有 用 ， 如 果 你 曾 被 L L V M   I R   d u m p 里 面 的 语 法 搞 糊 涂 的 话 。
《 开 发 者 手 册 》 描 述 了 一 些 L L V M 特 有 的 数 据 结 构 的 工 具 ， 比 如 高 效 字 符 串 ， v e c t o r 和 m a p 的 替 代 品 等 等 。 它 还 描 述 了 一 些 快 速 类 型 检 查 工 具 、 和 ） ， 这 些 你 不 管 在 哪 都 要 跑 。   如 果 你 不 知 道 你 的 流 程 可 以 做 什 么 ， 读 《 编 写 L L V M 流 程 》   。 不 过 因 为 你 只 是 个 研 究 人 员 而 不 是 浸 淫 于 编 译 器 的 大 牛 ， 本 文 的 观 点 可 能 和 这 篇 教 程 在 一 些 细 节 上 有 所 不 同 。 （ 最 紧 急 的 是 ， 别 再 用 基 于 M a k e f i l e 的 构 建 系 统 了 。 直 接 开 始 用 C M a k e 构 建 你 的 程 序 吧 ， 读 读 《 “ 源 代 码 外 ” 指 令 》 ） 尽 管 上 面 这 些 是 解 决 流 程 问 题 的 官 方 材 料 ， 不 过 在 在 线 浏 览 L L V M 代 码 时 ， 这 个 G i t H u b 镜 像 有 时 会 更 方 便 。 写 一 个 流 程 使 用 L L V M 来 完 成 高 产 研 究 通 常 意 味 着 你 要 写 一 些 自 定 义 流 程 。 这 一 节 会 指 导 你 构 建 和 运 行 一 个 简 单 的 流 程 来 变 换 你 的 程 序 。 框 架 我 已 经 准 备 好 了 模 板 仓 库 ， 里 面 有 些 没 用 的 L L V M 流 程 。 我 推 荐 先 用 这 个 模 板 。 因 为 如 果 完 全 从 头 开 始 ， 配 好 构 建 的 配 置 文 件 可 是 相 当 痛 苦 的 事 。 首 先 从 G i t H u b 上 下 载 l l v m - p a s s - s k e l e t o n 仓 库 ： 主 要 的 工 作 都 是 在 中 完 成 的 。 把 它 打 开 。 这 里 是 我 们 的 业 务 逻 辑 ： L L V M 流 程 有 很 多 种 ， 我 们 现 在 用 的 这 一 种 叫 函 数 流 程 （ f u n c t i o n   p a s s ） （ 这 是 一 个 不 错 的 入 手 点 ） 。 正 如 你 所 期 望 的 ， L L V M 会 在 编 译 每 个 函 数 的 时 候 先 唤 起 这 个 方 法 。 现 在 它 所 做 的 只 是 打 印 了 一 下 函 数 名 。 细 节 ： e r r s ( ) 是 一 个 L L V M 提 供 的 C + + 输 出 流 ， 我 们 可 以 用 它 来 输 出 到 控 制 台 。 函 数 返 回 f a l s e 说 明 它 没 有 改 动 函 数 F 。 之 后 ， 如 果 我 们 真 的 变 换 了 程 序 ， 我 们 需 要 返 回 一 个 t r u e 。 构 建 通 过 C M a k e 来 构 建 这 个 流 程 ： i s a c a s t d y n _ c a s t 1 .   $   g i t   c l o n e   g i t @ g i t h u b . c o m : s a m p s y o / l l v m - p a s s - s k e l e t o n . g i t s k e l e t o n / S k e l e t o n . c p p 1 .   v i r t u a l   b o o l   r u n O n F u n c t i o n ( F u n c t i o n   & F )   {   2 .       e r r s ( )   < <   " I   s a w   a   f u n c t i o n   c a l l e d   "   < <   F . g e t N a m e ( )   < <   " ! n " ; 3 .       r e t u r n   f a l s e ;   4 .   } 1 .   $   c d   l l v m - p a s s - s k e l e t o n  
如 果 L L V M 没 有 全 局 安 装 , 你 需 要 告 诉 C M a k e   L L V M 的 位 置 . 你 可 以 把 环 境 变 量 的 值 修 改 为 通 往 的 路 径 。 比 如 这 是 一 个 使 用 H o m e b r e w 安 装 L L V M 的 例 子 ： 构 建 流 程 之 后 会 产 生 一 个 库 文 件 ， 你 可 以 在 或 者 类 似 的 地 方 找 到 它 ， 具 体 取 决 于 你 的 平 台 。 下 一 步 我 们 载 入 这 个 库 来 在 真 实 的 代 码 中 运 行 这 个 流 程 。 运 行 想 要 运 行 你 的 新 流 程 ， 用 编 译 你 的 C 代 码 ， 同 时 加 上 一 些 奇 怪 的 f l a g 来 指 明 你 刚 刚 编 译 好 的 库 文 件 ： 这 是 你 在 C l a n g 中 载 入 并 激 活 你 的 流 程 所 用 的 所 有 代 码 。 所 以 当 你 处 理 较 大 的 项 目 的 时 候 ， 你 可 以 直 接 把 这 些 参 数 加 到 M a k e f i l e 的 C F L A G S 里 或 者 你 构 建 系 统 的 对 应 的 地 方 。 （ 通 过 单 独 调 用 ， 你 也 可 以 每 次 只 跑 一 个 流 程 。 这 样 需 要 用 L L V M 的 o p t 命 令 。 这 是 官 方 文 档 里 的 合 法 方 式 ， 但 在 这 里 我 就 不 赘 述 了 。 ） 恭 喜 你 ， 你 成 功 h a c k 了 一 个 编 译 器 ！ 接 下 来 ， 我 们 要 扩 展 这 个 h e l l o   w o r l d 水 平 的 流 程 ， 来 做 一 些 好 玩 的 事 情 。 理 解 L L V M 的 中 间 表 示 想 要 使 用 L L V M 里 的 程 序 ， 你 需 要 知 道 一 点 中 间 表 示 的 组 织 方 法 。 模 块 （ M o d u l e ） ， 函 数 （ F u n c t i o n ） ， 代 码 块 （ B a s i c B l o c k ） ， 指 令 （ I n s t r u c t i o n ）   模 块 包 含 了 函 数 ， 函 数 又 包 含 了 代 码 块 ， 后 者 又 是 由 指 令 组 成 。 除 了 模 块 以 外 ， 所 有 结 构 都 是 2 .   $   m k d i r   b u i l d   3 .   $   c d   b u i l d   4 .   $   c m a k e   . .     #   G e n e r a t e   t h e   M a k e f i l e .   5 .   $   m a k e     #   A c t u a l l y   b u i l d   t h e   p a s s . L L V M _ D I R s h a r e / l l v m / c m a k e / 1 .   $   L L V M _ D I R = / u s r / l o c a l / o p t / l l v m / s h a r e / l l v m / c m a k e   c m a k e   . . b u i l d / s k e l e t o n / l i b S k e l e t o n P a s s . s o c l a n g 1 .   $   c l a n g   - X c l a n g   - l o a d   - X c l a n g   b u i l d / s k e l e t o n / l i b S k e l e t o n P a s s . *   s o m e t h i n g . c   2 .   I   s a w   a   f u n c t i o n   c a l l e d   m a i n ! - X c l a n g   - l o a d   - X c l a n g   p a t h / t o / l i b . s o c l a n g
从 值 产 生 而 来 的 。 容 器 首 先 了 解 一 下 L L V M 程 序 中 最 重 要 的 组 件 ： 粗 略 地 说 ， 模 块 表 示 了 一 个 源 文 件 ， 或 者 学 术 一 点 讲 叫 翻 译 单 元 。 其 他 所 有 东 西 都 被 包 含 在 模 块 之 中 。 最 值 得 注 意 的 是 ， 模 块 容 纳 了 函 数 ， 顾 名 思 义 ， 后 者 就 是 一 段 段 被 命 名 的 可 执 行 代 码 。 （ 在 C + + 中 ， 函 数 f u n c t i o n 和 方 法 m e t h o d 都 相 应 于 L L V M 中 的 函 数 。 ） 除 了 声 明 名 字 和 参 数 之 外 ， 函 数 主 要 会 做 为 代 码 块 的 容 器 。 代 码 块 和 它 在 编 译 器 中 的 概 念 差 不 多 ， 不 过 目 前 我 们 把 它 看 做 是 一 段 连 续 的 指 令 。 而 说 到 指 令 ， 就 是 一 条 单 独 的 代 码 命 令 。 这 一 种 抽 象 基 本 上 和 R I S C 机 器 码 是 类 似 的 ： 比 如 一 个 指 令 可 能 是 一 次 整 数 加 法 ， 可 能 是 一 次 浮 点 数 除 法 ， 也 可 能 是 向 内 存 写 入 。 大 部 分 L L V M 中 的 内 容 — — 包 括 函 数 ， 代 码 块 ， 指 令 — — 都 是 继 承 了 一 个 名 为 值 的 基 类 的 C + + 类 。 值 是 可 以 用 于 计 算 的 任 何 类 型 的 数 据 ， 比 如 数 或 者 内 存 地 址 。 全 局 变 量 和 常 数 （ 或 者 说 字 面 值 ， 立 即 数 ， 比 如 5 ） 都 是 值 。 指 令 这 是 一 个 写 成 人 类 可 读 文 本 的 L L V M 中 间 表 示 的 指 令 的 例 子 。 这 个 指 令 将 两 个 3 2 位 整 数 相 加 （ 可 以 通 过 类 型 推 断 出 来 ） 。 它 将 4 号 寄 存 器 （ 写 作 ） 中 的 数 和 字 面 值 2 （ 写 作 ） 求 和 ， 然 后 放 到 5 号 寄 存 器 中 。 这 就 是 为 什 么 我 说 L L V M   I R 读 起 来 像 是 R I S C 机 器 码 ： 我 们 甚 至 连 术 语 都 是 一 样 的 ， 比 如 寄 存 器 ， 不 过 我 们 在 L L V M 里 有 无 限 多 个 寄 存 器 。 在 编 译 器 内 ， 这 条 指 令 被 表 示 为 指 令 C + + 类 的 一 个 实 例 。 这 个 对 象 有 一 个 操 作 码 表 示 这 是 一 次 加 法 ， 一 个 类 型 ， 以 及 一 个 操 作 数 的 列 表 ， 其 中 每 个 元 素 都 指 向 另 外 一 个 值 （ V a l u e ） 对 象 。 在 我 们 的 例 子 中 ， 它 指 向 了 一 个 代 表 整 数 2 的 常 量 对 象 和 一 个 代 表 5 号 寄 存 器 的 指 令 对 象 。 （ 因 为 L L V M   I R 使 用 了 静 态 单 次 分 配 格 式 ， 寄 存 器 和 指 令 事 实 上 是 一 个 而 且 是 相 同 的 ， 寄 存 器 号 是 人 为 的 字 面 表 示 。 ） 另 外 ， 如 果 你 想 看 你 自 己 程 序 的 L L V M   I R ， 你 可 以 直 接 使 用 C l a n g ： 查 看 流 程 中 的 I R 让 我 们 回 到 我 们 正 在 做 的 L L V M 流 程 。 我 们 可 以 查 看 所 有 重 要 的 I R 对 象 ， 只 需 要 用 一 个 普 适 而 方 便 的 方 法 ： 。 它 会 打 印 出 人 可 读 的 I R 对 象 的 表 示 。 因 为 我 们 的 流 程 是 处 理 函 数 的 ， 所 以 我 们 用 它 来 迭 代 函 数 里 所 有 的 代 码 块 ， 然 后 是 每 个 代 码 块 的 指 令 集 。 1 .   % 5   =   a d d   i 3 2   % 4 ,   2 i 3 2 % 4 2 1 .   $   c l a n g   - e m i t - l l v m   - S   - o   -   s o m e t h i n g . c d u m p ( )
下 面 是 代 码 。 你 可 以 通 过 在 代 码 库 中 切 换 到 c o n t a i n e r s 分 支 来 获 得 代 码 。 使 用 C + +   1 1 里 的 类 型 和 f o r e a c h 语 法 可 以 方 便 地 在 L L V M   I R 的 继 承 结 构 里 探 索 。 如 果 你 重 新 构 建 流 程 并 通 过 它 再 跑 程 序 ， 你 可 以 看 到 很 多 I R 被 切 分 开 输 出 ， 正 如 我 们 遍 历 它 那 样 。 做 些 更 有 趣 的 事 当 你 在 找 寻 程 序 中 的 一 些 模 式 ， 并 有 选 择 地 修 改 它 们 时 ， L L V M 的 魔 力 真 正 展 现 了 出 来 。 这 里 是 一 个 简 单 的 例 子 ： 把 函 数 里 第 一 个 二 元 操 作 符 （ 比 如 + ， - ） 改 成 乘 号 。 听 上 去 很 有 用 对 吧 ？ 下 面 是 代 码 。 这 个 版 本 的 代 码 ， 和 一 个 可 以 试 着 跑 的 示 例 程 序 一 起 ， 放 在 了 仓 库 的   m u t a t e 分 支 。 6 .   1 1 .   l l v m - p a s s - s k e l e t o n 1 .   e r r s ( )   < <   " F u n c t i o n   b o d y : n " ; 2 .   F . d u m p ( ) ;   3 .   f o r   ( a u t o &   B   :   F )   {   4 .       e r r s ( )   < <   " B a s i c   b l o c k : n " ; 5 .       B . d u m p ( ) ;   6 .       f o r   ( a u t o &   I   :   B )   {   7 .           e r r s ( )   < <   " I n s t r u c t i o n :   " ;   8 .           I . d u m p ( ) ;     9 .       }   1 0 .   } a u t o l l v m - p a s s - s k e l e t o n 1 .   f o r   ( a u t o &   B   :   F )   { 2 .       f o r   ( a u t o &   I   :   B )   { 3 .           i f   ( a u t o *   o p   =   d y n _ c a s t < B i n a r y O p e r a t o r > ( & I ) )   { 4 .               / /   I n s e r t   a t   t h e   p o i n t   w h e r e   t h e   i n s t r u c t i o n   ` o p `   a p p e a r s . 5 .               I R B u i l d e r < >   b u i l d e r ( o p ) ; 7 .               / /   M a k e   a   m u l t i p l y   w i t h   t h e   s a m e   o p e r a n d s   a s   ` o p ` . 8 .               V a l u e *   l h s   =   o p - > g e t O p e r a n d ( 0 ) ; 9 .               V a l u e *   r h s   =   o p - > g e t O p e r a n d ( 1 ) ; 1 0 .               V a l u e *   m u l   =   b u i l d e r . C r e a t e M u l ( l h s ,   r h s ) ; 1 2 .               / /   E v e r y w h e r e   t h e   o l d   i n s t r u c t i o n   w a s   u s e d   a s   a n   o p e r a n d ,   u s e   o u r 1 3 .               / /   n e w   m u l t i p l y   i n s t r u c t i o n   i n s t e a d . 1 4 .               f o r   ( a u t o &   U   :   o p - > u s e s ( ) )   {
1 8 .   细 节 如 下 ： 构 造 函 数 是 L L V M 类 型 检 查 工 具 的 应 用 。 使 用 了 L L V M 代 码 的 一 些 惯 例 , 使 得 动 态 类 型 检 查 更 高 效 ， 因 为 编 译 器 总 要 用 它 们 。 具 体 来 说 ， 如 果 不 是 “ 二 元 操 作 符 ” ， 这 个 构 造 函 数 返 回 一 个 空 指 针 ， 就 可 以 完 美 应 付 很 多 特 殊 情 况 （ 比 如 这 个 ） 。 I R B u i l d e r 用 于 构 造 代 码 。 它 有 一 百 万 种 方 法 来 创 建 任 何 你 可 能 想 要 的 指 令 。 为 把 新 指 令 缝 进 代 码 里 ， 我 们 需 要 找 到 所 有 它 被 使 用 的 地 方 ， 然 后 当 做 一 个 参 数 换 进 我 们 的 指 令 里 。 回 忆 一 下 ， 每 个 指 令 都 是 一 个 值 ： 在 这 里 ， 乘 法 指 令 被 当 做 另 一 条 指 令 里 的 操 作 数 ， 意 味 着 乘 积 会 成 为 被 传 进 来 的 参 数 。 我 们 其 实 应 该 移 除 旧 的 指 令 ， 不 过 简 明 起 见 我 把 它 略 去 了 。 现 在 我 们 编 译 一 个 这 样 的 程 序 （ 代 码 库 中 的 e x a m p l e . c ） ： 如 果 用 普 通 的 编 译 器 ， 这 个 程 序 的 行 为 和 代 码 并 没 有 什 么 差 别 ； 但 我 们 的 插 件 会 让 它 将 输 入 翻 倍 而 不 是 加 2 。 很 神 奇 吧 ！ 1 4 .               f o r   ( a u t o &   U   :   o p - > u s e s ( ) )   { 1 5 .                   U s e r *   u s e r   =   U . g e t U s e r ( ) ;     / /   A   U s e r   i s   a n y t h i n g   w i t h   o p e r a n d s . 1 6 .                   u s e r - > s e t O p e r a n d ( U . g e t O p e r a n d N o ( ) ,   m u l ) ; 1 7 .               } 1 9 .               / /   W e   m o d i f i e d   t h e   c o d e . 2 0 .               r e t u r n   t r u e ; 2 1 .           } 2 2 .       } 2 3 .   } d y n _ c a s t < T > ( p ) I 1 .   # i n c l u d e   < s t d i o . h > 2 .   i n t   m a i n ( i n t   a r g c ,   c o n s t   c h a r * *   a r g v )   { 3 .           i n t   n u m ; 4 .           s c a n f ( " % i " ,   & n u m ) ; 5 .           p r i n t f ( " % i n " ,   n u m   +   2 ) ; 6 .           r e t u r n   0 ; 7 .   } 1 .   $   c c   e x a m p l e . c 2 .   $   . / a . o u t 3 .   1 0 4 .   1 2 5 .   $   c l a n g   - X c l a n g   - l o a d   - X c l a n g   b u i l d / s k e l e t o n / l i b S k e l e t o n P a s s . s o   e x a m p l e . c 6 .   $   . / a . o u t 7 .   1 0 8 .   2 0
链 接 动 态 库 如 果 你 想 调 整 代 码 做 一 些 大 动 作 ， 用 I R B u i l d e r 来 生 成 L L V M 指 令 可 能 就 比 较 痛 苦 了 。 你 可 能 需 要 写 一 个 C 语 言 的 运 行 时 行 为 ， 然 后 把 它 链 接 到 你 正 在 编 译 的 程 序 上 。 这 一 节 将 会 给 你 展 示 如 何 写 一 个 运 行 时 库 ， 它 可 以 将 所 有 二 元 操 作 的 结 果 记 录 下 来 ， 而 不 仅 仅 是 闷 声 修 改 值 。 这 里 是 L L V M 流 程 的 代 码 ， 也 可 以 在 代 码 库 的 r t l i b 分 支 找 到 它 。 6 .   1 3 .   1 7 .   你 需 要 的 工 具 包 括 M o d u l e : : g e t O r I n s e r t F u n c t i o n 和 I R B u i l d e r : : C r e a t e C a l l 。 前 者 给 你 的 运 行 时 函 数 增 加 了 一 个 声 明 （ 类 似 于 在 C 程 序 中 声 明 而 不 提 供 实 现 ） 。 相 应 的 函 数 体 可 以 在 定 义 了 函 数 的 运 行 时 库 （ 代 码 库 中 的 r t l i b . c ） 找 到 。 l l v m - p a s s - s k e l e t o n 1 .   / /   G e t   t h e   f u n c t i o n   t o   c a l l   f r o m   o u r   r u n t i m e   l i b r a r y . 2 .   L L V M C o n t e x t &   C t x   =   F . g e t C o n t e x t ( ) ; 3 .   C o n s t a n t *   l o g F u n c   =   F . g e t P a r e n t ( ) - > g e t O r I n s e r t F u n c t i o n ( 4 .       " l o g o p " ,   T y p e : : g e t V o i d T y ( C t x ) ,   T y p e : : g e t I n t 3 2 T y ( C t x ) ,   N U L L 5 .   ) ; 7 .   f o r   ( a u t o &   B   :   F )   { 8 .       f o r   ( a u t o &   I   :   B )   { 9 .           i f   ( a u t o *   o p   =   d y n _ c a s t < B i n a r y O p e r a t o r > ( & I ) )   { 1 0 .               / /   I n s e r t   * a f t e r *   ` o p ` . 1 1 .               I R B u i l d e r < >   b u i l d e r ( o p ) ; 1 2 .               b u i l d e r . S e t I n s e r t P o i n t ( & B ,   + + b u i l d e r . G e t I n s e r t P o i n t ( ) ) ; 1 4 .               / /   I n s e r t   a   c a l l   t o   o u r   f u n c t i o n . 1 5 .               V a l u e *   a r g s [ ]   =   { o p } ; 1 6 .               b u i l d e r . C r e a t e C a l l ( l o g F u n c ,   a r g s ) ; 1 8 .               r e t u r n   t r u e ; 1 9 .           } 2 0 .       } 2 1 .   } l o g o p v o i d   l o g o p ( i n t   i ) ; l o g o p 1 .   # i n c l u d e   < s t d i o . h > 2 .   v o i d   l o g o p ( i n t   i )   { 3 .       p r i n t f ( " c o m p u t e d :   % i n " ,   i ) ;
要 运 行 这 个 程 序 ， 你 需 要 链 接 你 的 运 行 时 库 ： 如 果 你 希 望 的 话 ， 你 也 可 以 在 编 译 成 机 器 码 之 前 就 缝 合 程 序 和 运 行 时 库 。 l l v m - l i n k 工 具 — — 你 可 以 把 它 简 单 看 做 I R 层 面 的 l d 的 等 价 工 具 ， 可 以 帮 助 你 完 成 这 项 工 作 。 注 记 （ A n n o t a t i o n ） 大 部 分 工 程 最 终 是 要 和 开 发 者 进 行 交 互 的 。 你 会 希 望 有 一 套 注 记 （ a n n o t a t i o n s ） ， 来 帮 助 你 从 程 序 里 传 递 信 息 给 L L V M 流 程 。 这 里 有 一 些 构 造 注 记 系 统 的 方 法 ： 一 个 实 用 而 取 巧 的 方 法 是 使 用 魔 法 函 数 。 先 在 一 个 头 文 件 里 声 明 一 些 空 函 数 ， 用 一 些 奇 怪 的 、 基 本 是 独 特 的 名 字 命 名 。 在 源 代 码 中 引 入 这 个 头 文 件 ， 然 后 调 用 这 些 什 么 都 没 有 做 的 函 数 。 然 后 ， 在 你 的 流 程 里 ， 查 找 唤 起 了 函 数 的 C a l l I n s t 指 令 ， 然 后 利 用 它 们 去 触 发 你 真 正 要 做 的 “ 魔 法 ” 。 比 如 说 ， 你 可 能 想 调 用 和 ， 让 程 序 将 代 码 改 写 限 制 在 某 些 具 体 的 区 域 。 如 果 想 让 程 序 员 给 函 数 或 者 变 量 声 明 加 记 号 ， C l a n g 的 语 法 会 发 射 一 个 元 数 据 和 任 意 字 符 串 ， 可 以 在 流 程 中 处 理 它 。 B r a n d o n   H o l t （ 又 是 他 ） 有 篇 文 章 讲 解 了 这 个 技 术 的 背 景 。 如 果 你 想 标 记 一 些 表 达 式 ， 而 非 声 明 ， 一 个 没 有 文 档 ， 同 时 很 不 幸 受 限 了 的 内 建 方 法 可 能 会 有 用 。 可 以 自 由 修 改 C l a n g 使 它 可 以 翻 译 你 的 新 语 法 。 不 过 我 不 推 荐 这 个 。 如 果 你 需 要 标 记 类 型 — — 我 相 信 大 家 经 常 没 意 识 到 就 这 么 做 了 — — 我 开 发 了 一 个 名 为 Q u a l a 的 系 统 。 它 给 C l a n g 打 了 补 丁 ， 以 支 持 自 定 义 的 类 型 检 查 和 可 插 拔 的 类 型 系 统 ， 到 J a v a 的 J S R - 3 0 8 。 如 果 你 对 这 个 项 目 感 兴 趣 ， 并 且 想 合 作 ， 请 联 系 我 。 我 希 望 能 在 以 后 的 文 章 里 展 开 讨 论 这 些 技 术 。 其 他 L L V M 非 常 庞 大 。 下 面 是 一 些 我 没 讲 到 的 话 题 ： 使 用 L L V M 中 的 一 大 批 古 典 编 译 器 分 析 ； 通 过 h a c k 后 端 来 生 成 任 意 的 特 殊 机 器 指 令 （ 架 构 师 们 经 常 想 这 么 干 ） ； 利 用 d e b u g   i n f o 连 接 源 代 码 中 的 行 和 列 到 I R 中 的 每 一 处 ； 开 发 [ C l a n g 前 端 插 件 ] 。 ( h t t p : / / c l a n g . l l v m . o r g / d o c s / C l a n g P l u g i n s . h t m l ) 我 希 望 我 给 你 讲 了 足 够 的 背 景 来 支 持 你 完 成 一 个 好 项 目 了 。 探 索 构 建 去 吧 ！ 如 果 这 篇 文 章 对 你 帮 助 ， 也 请 让 我 知 道 。 4 .   } 1 .   $   c c   - c   r t l i b . c 2 .   $   c l a n g   - X c l a n g   - l o a d   - X c l a n g   b u i l d / s k e l e t o n / l i b S k e l e t o n P a s s . s o   - c   e x a m p l e . c 3 .   $   c c   e x a m p l e . o   r t l i b . o 4 .   $   . / a . o u t 5 .   1 2 6 .   c o m p u t e d :   1 4 7 .   1 4 _ _ e n a b l e _ i n s t r u m e n t a t i o n ( ) _ _ d i s a b l e _ i n s t r u m e n t a t i o n ( ) _ _ a t t r i b u t e _ _ ( ( a n n o t a t e ( " f o o " ) ) ) _ _ b u i l t i n _ a n n o t a t i o n ( e ,   " f o o " )
原 文 ： h t t p : / / a d r i a n s a m p s o n . n e t / b l o g / l l v m . h t m l 作 者 ：   A d r i a n   S a m p s o n 译 文 ： h t t p : / / g e e k . c s d n . n e t / n e w s / d e t a i l / 3 7 7 8 5 译 者 ：   张 洵 恺 感 谢 U W 的 架 构 与 系 统 组 ， 围 观 了 我 的 这 篇 文 章 并 且 提 了 很 多 很 赞 的 问 题 。 以 及 感 谢 以 下 的 读 者 ： E m e r y   B e r g e r 指 出 了 动 态 二 进 制 分 析 工 具 ， 比 如 P i n ， 仍 然 是 你 在 观 察 系 统 结 构 中 具 体 内 容 （ 比 如 寄 存 器 ， 内 存 继 承 和 指 令 编 码 等 ） 的 好 帮 手 ； B r a n d o n   H o l t 发 了 一 篇 《 L L V M   d e b u g   技 巧 》 ， 包 括 如 何 用 G r a p h V i z 绘 制 控 制 流 图 ； J o h n   R e g e h r 在 评 论 中 提 到 把 软 件 搭 在 L L V M 上 的 缺 点 ： A P I 不 稳 定 性 。 L L V M 内 部 几 乎 每 版 都 要 大 换 ， 所 以 你 需 要 不 断 维 护 你 的 项 目 。 A l e x   B r a d b u r y 的 L L V M 周 报 是 个 跟 进 L L V M 生 态 圈 的 好 资 源 。
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