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LLVM

多种编程语言的编译器后端

LLVM是一套編譯器基礎設施項目，為自由軟件，以C++寫成，包含一系列模塊化的編譯器組件和工具鏈，用來開發編譯器前端和後端。它是為了任意一種程式語言而寫成的程式，利用虛擬技術創造出編譯時期、鏈結時期、執行時期以及「閒置時期」的最佳化。

LLVM
原作者Chris Lattner, Vikram Adve（英語：Vikram Adve）
開發者LLVM開發團隊
首次發布2003
當前版本19.1.3[1]在維基數據編輯（2024年10月30日）
源代碼庫
編輯維基數據鏈接
編程語言C++
操作系統跨平台
類型編譯器
許可協議帶有LLVM例外的Apache許可證2.0
網站www.llvm.org

它最早以C/C++為實作對象，而目前它已支援包括ActionScript、Ada、D語言、Fortran、GLSL、Haskell、Java字節碼、Objective-C、Swift、Python、Ruby、Crystal、Rust、Scala[2]以及C#[3]等語言。

歷史

LLVM專案的發展起源於2000年伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校維克拉姆·艾夫（Vikram Adve）與克里斯·拉特納（Chris Lattner）的研究，他們想要為所有靜態及動態語言創造出動態的編譯技術。LLVM是以BSD授權來發展的開源軟體。2005年，蘋果電腦雇用了克里斯·拉特納及他的團隊為蘋果電腦開發應用程式系統[4]，LLVM為現今macOS及iOS開發工具的一部分。

LLVM的命名最早源自於底層虛擬機器（Low Level Virtual Machine）的首字母縮寫[5]，由於這個專案的範圍並不侷限於建立一個虛擬機器，這個縮寫導致了廣泛的疑惑。LLVM開始成長之後，成為眾多編譯工具及低階工具技術的統稱，使得這個名字變得更不貼切，開發者因而決定放棄這個縮寫的意涵[6]，現今LLVM已單純成為一個系統，適用於LLVM下的所有專案，包含LLVM中介碼（LLVM IR）、LLVM除錯工具、LLVM C++標準函式庫等。

因LLVM對產業的貢獻，計算機協會於2012年將ACM軟件系統獎授與維克拉姆·艾夫、克里斯·拉特納及Evan Cheng[7]。

自9.0.0版本開始，LLVM使用帶有LLVM額外條款的Apache許可證2.0進行授權[8]。而從2019年10月開始，LLVM項目的代碼託管正式遷移到了GitHub[9]。

描述

LLVM提供了一套適合編譯器系統的中間語言（Intermediate Representation，IR），有大量變換和優化都圍繞其實現。經過變換和優化後的中間語言，可以轉換為目標平台相關的匯編語言代碼。LLVM可以和GCC工具鏈一起工作，允許它與為該項目編寫的大量現有編譯器一起使用。LLVM還可以在編譯、鏈接時生成可重定位代碼（英語：Relocation (computing)）（Relocatable Code），甚至在運行時生成二進制機器碼。

LLVM的中間語言與具體的語言、指令集、類型系統無關，其中每條指令都是靜態單賦值形式（SSA）， 即每個變量只能被賦值一次。這有助於簡化變量之間的依賴分析。LLVM允許靜態編譯代碼，或者通過實時編譯（JIT）機制將中間表示轉換為機器碼（類似Java）。

LLVM支援與語言無關的指令集架構及類型系統[10]。每個指令都處在靜態單賦值形式（SSA）下代表著，每個變數（被稱為具有型別的暫存器）僅被賦值一次，這簡化了變數間相依性的分析。LLVM允許程式碼被靜態的編譯，包含在傳統的GCC系統底下，或是類似JAVA等後期編譯才將IF編譯成機器碼所使用的即時編譯（JIT）技術。它的型別系統包含基本型別（整數或是浮點數）及五個複合型別（指標、數組、向量、結構及函數），在LLVM具體語言的型別建制可以以結合基本型別來表示，舉例來說，C++所使用的class可以被表示為結構、函式及函數指針的陣列所組成。

LLVM JIT編譯器可以最佳化在執行時期時程式所不需要的靜態分支，這在一些部份求值（Partial Evaluation）的案例中相當有效，即當程式有許多選項，而在特定環境下其中多數可被判斷為是不需要。這個特色被使用在Mac OS X Leopard（v10.5）底下OpenGL的管線，當硬體不支援某個功能時依然可以被成功地運作[11]。OpenGL堆棧下的繪圖程式被編譯為IR，接著在機器上執行時被編譯，當系統擁有高階GPU時，這段程式會進行極少的修改並將傳遞指令給GPU，當系統擁有低階的GPU時，LLVM將會編譯更多的程序，使這段GPU無法執行的指令在本地端的中央處理器執行。LLVM增進了使用Intel GMA晶片等低端機器的效能。一個類似的系統發展於Gallium3D LLVMpipe，它已被合併到GNOME，使其可運行在沒有GPU的環境[12]。

根據2011年的一項測試，GCC在執行時期的性能平均比LLVM高10%[13][14]。而2013年測試顯示，LLVM可以編譯出接近GCC相同效能的執行碼[15]。

編譯器

LLVM已經成為多個編譯器和代碼生成相關子項目的母項目。

前端

LLVM最初被用來取代GCC中的程式碼產生器[16]，許多GCC的前端已經可以與其運行，LLVM目前支援Ada、C語言、C++、D語言、Fortran、Haskell、Julia、Objective-C、Rust及Swift的編譯，它使用許多的編譯器，有些來自4.0.1及4.2的GCC。

LLVM引發一些人來為許多語言開發新的編譯器，其中一個最引發注意的就是Clang，它是一個新的編譯器，同時支援C、Objective-C以及C++。主要來自蘋果電腦的支持，Clang的目的用以取代GCC系統底下的C/Objective-C編譯器，在當代的系統，他較為容易與集成開發環境（IDE）整合，而且對於線程有更好的支援。Clang從3.8版本開始已經支持OpenMP[17]。GCC底下Objective-C的開發已經停滯，而蘋果電腦已經將其支援移至其他的維護分支。

Utrecht Haskell編譯器可以產生LLVM使用的程式碼，但它還在初期的開發階段，並且在許多案例，展示他比起C程式碼產生器擁有更好的效率[18] Glasgow Haskell Compiler（GHC）擁有一個可以運作的LLVM後端，程式執行效能對比起原先的編譯器可以達到30%的加速，它僅比一個由GHC所實現，並擁有多項最佳化技術的編譯器還慢[19]

還有其他的元件在不同的開發階段，包含（但不限於）Java bytecode[20]、通用中間語言（CIL）、MacRuby（實現Ruby 1.9）、Standard ML及新的graph coloring暫存器配置. [來源請求]

中間表示

LLVM的核心是中間表示（Intermediate Representation，IR），一種類似匯編的底層語言。IR是一種強類型的精簡指令集（Reduced Instruction Set Computing，RISC），並對目標指令集進行了抽象。例如，目標指令集的函數調用慣例被抽象為call和ret指令加上明確的參數。另外，IR採用無限個數的暫存器，使用如%0，%1等形式表達。LLVM支持三種表達形式：人類可讀的匯編，在C++中對象形式和序列化後的bitcode形式。

例如，一個簡單的Hello World程序可以表達為如下的匯編形式。對IR語言的完整描述請參考LLVM官方文檔[21]： 

@.str = internal constant [14 x i8] c"hello, world\0A\00"

declare i32 @printf(i8*, ...)

define i32 @main(i32 %argc, i8** %argv) nounwind {
entry:
    %tmp1 = getelementptr [14 x i8], [14 x i8]* @.str, i32 0, i32 0
    %tmp2 = call i32 (i8*, ...) @printf( i8* %tmp1 ) nounwind
    ret i32 0
}

後端

至11.0版本，LLVM已經支持多種後端指令集，包括ARM、Qualcomm Hexagon（英語：Qualcomm Hexagon）、MIPS、Nvidia並行指令集（LLVM中稱為NVPTX），PowerPC、AMD TeraScale[22]、AMDGPU（英語：AMDGPU）、SPARC、SystemZ、RISC-V、WebAssembly、x86、x86-64和XCore。

LLVM包含一個專門的MC模塊，將機器指令在文字形式和機器碼形式間相互轉換。在之前LLVM依靠系統或是平台專門的工具鏈將匯編翻譯為機器碼。LLVM機器碼的集成匯編器已經支持絕大多數LLVM的目標平台。

鏈接器

lld鏈接器子項目旨在為LLVM開發一個內置的，平台獨立的鏈接器[23]，去除對所有第三方鏈接器的依賴。在2017年5月，lld已經支持ELF、PE/COFF、 和Mach-O。在lld支持不完全的情況下，用戶可以使用其他項目，如GNU ld鏈接器。 lld支持鏈接時優化。當LLVM鏈接時優化被啟用時，LLVM可以輸出bitcode而不是本機代碼，而本機代碼生成由鏈接器優化處理。

C++標準庫

LLVM項目包含一個C++標準庫的實現（libcxx），具有MIT許可證和UIUC許可證的雙許可協議。[24]

另見

參考文獻

  1. ^ LLVM 19.1.3. 2024年10月30日 [2024年10月30日]. 
  2. ^ Reedy, Geoff. Compiling Scala to LLVM. St. Louis, Missouri, United States. 2012-09-24 [2013-02-19]. （原始內容存檔於2020-11-29）. 
  3. ^ Mono LLVM, [2013-03-10], （原始內容存檔於2020-06-15） 
  4. ^ Adam Treat, mkspecs and patches for LLVM compile of Qt4 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
  5. ^ 存档副本. [2011-12-22]. （原始內容存檔於2012-01-17）. 
  6. ^ Chris Lattner discusses the name LLVM. [22 December 2011]. （原始內容存檔於2012年1月12日）. 
  7. ^ ACM Awards. ACM. [2013-04-28]. （原始內容存檔於2012-04-02）. 
  8. ^ LLVM 9.0.0 License. [2020-11-14]. （原始內容存檔於2020-11-11）. 
  9. ^ Migration Proposal. [2020-11-14]. （原始內容存檔於2020-11-25）. 
  10. ^ LLVM Language Reference Manual. [16 April 2012]. （原始內容存檔於2012-06-11）. 
  11. ^ Chris Lattner. A cool use of LLVM at Apple: the OpenGL stack. LLVMdev mailing list. 15 August 2006 [26 October 2008]. （原始內容存檔於2006年11月4日）. 
  12. ^ Michael Larabel, "GNOME Shell Works Without GPU Driver Support" （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, phoronix, 6 November 2011
  13. ^ V. Makarov. SPEC2000: Comparison of LLVM-2.9 and GCC4.6.1 on x86. [3 October 2011]. （原始內容存檔於2020-08-03）. 
  14. ^ V. Makarov. SPEC2000: Comparison of LLVM-2.9 and GCC4.6.1 on x86_64. [3 October 2011]. （原始內容存檔於2020-08-03）. 
  15. ^ Michael Larabel. LLVM/Clang 3.2 Compiler Competing With GCC. 27 December 2012 [31 March 2013]. （原始內容存檔於2020-11-30）. 
  16. ^ Lattner, Chris; Vikram Adve. Architecture For a Next-Generation GCC. First Annual GCC Developers' Summit. May 2003 [6 September 2009]. （原始內容存檔於2020-07-07）. 
  17. ^ Clang 3.8 Release Notes. [August 24, 2016]. （原始內容存檔於2016-10-31）. 
  18. ^ Compiling Haskell To LLVM (PDF). [26 June 2008]. （原始內容存檔 (PDF)於2016-08-06）. 
  19. ^ LLVM Project Blog: The Glasgow Haskell Compiler and LLVM. [13 August 2010]. （原始內容存檔於2011-06-25）. 
  20. ^ Gaël Thomas; et al. VMKit: a substrate for virtual machines. LLVM.org. [2014-09-17]. （原始內容存檔於2020-11-09）.  VMKit 目前的開發已經停滯，並且只支持和 LLVM 3.3 協同編譯。對更高版本的 LLVM，需要對源碼做一些修改。VMKit 在編譯時需要 LLVM 源碼中的lib, include。
  21. ^ llvm.org/docs/LangRef.html.
  22. ^ Stellard, Tom. [LLVMdev] RFC: R600, a new backend for AMD GPUs. llvm-dev (郵件列表). March 26, 2012 [2019-02-18]. （原始內容存檔於2020-12-01）. 
  23. ^ lld - The LLVM Linker. The LLVM Project. [May 10, 2017]. （原始內容存檔於2020-12-29）. 
  24. ^ "libc++" C++ Standard Library. [2020-09-26]. （原始內容存檔於2017-04-29）. 

外部連結

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