LLVM

LLVM
Тип	компилятор
Разработчик	LLVM Developer Group
Написана на	C++, Си и язык ассемблера
Операционные системы	кроссплатформенность, NetBSD, FreeBSD, OpenBSD, Linux, Миникс 3, Windows и Illumos
Первый выпуск	24 октября 2003
Последняя версия	19.1.6 (17 декабря 2024)
Репозиторий	github.com/llvm/llvm-pro…
Лицензия	University of Illinois/NCSA Open Source License
Сайт	llvm.org (англ.)
Медиафайлы на Викискладе

LLVM (ранее Low Level Virtual Machine) — универсальная система анализа, трансформации и оптимизации программ, реализующая виртуальную машину с RISC-подобными инструкциями. Может использоваться как оптимизирующий компилятор этого байткода в машинный код для различных архитектур либо для его интерпретации и JIT-компиляции (для некоторых платформ).

В рамках проекта LLVM был разработан фронтенд Clang для языков C, C++ и Objective-C, транслирующий исходные коды в байткод LLVM и позволяющий использовать LLVM в качестве полноценного компилятора.

Для LLVM создано несколько фронтендов, в том числе сторонними разработчиками, которые позволяют компилировать программы, написанные на языках С, C++, C#, D, Objective-C, Fortran, Ada, Haskell, Java, Kotlin, Python, Ruby, JavaScript, GLSL. Ранее также была подготовлена версия GCC, транслирующая программы в байт-код LLVM. В Glasgow Haskell Compiler также реализована компиляция посредством LLVM.

Существует множество программ и проектов, использующих инфраструктуру LLVM для генерации машинного кода.

История

История LLVM началась в 2000 году в Университете Иллинойса. В настоящее время LLVM используется, 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 вдохновитель LLVM — Крис Латтнер — 11 лет работал в Apple. C января 2017 работает в компании Tesla Motors.

Особенности

В основе LLVM лежит промежуточное представление кода (Intermediate Representation, IR), 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 3.6 поддерживает статическую генерацию кода для x86, x86-64, ARM, PowerPC, SPARC, MIPS, Qualcomm Hexagon, NVPTX, SystemZ, Xcore. JIT-компиляция (генерация машинного кода во время исполнения) поддержана для архитектур x86, x86_64, PowerPC, MIPS, SystemZ, и частично ARM.

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 система	Архитектура	Компилятор
FreeBSD	x86	GCC, Clang
FreeBSD	AMD64	GCC, Clang
Linux	AMD64	GCC, Clang
Linux	x86	GCC, Clang
Mac OS X	PowerPC	GCC
Mac OS X	x86	GCC, Clang
Solaris	UltraSPARC	GCC
Cygwin/Win32	x86	GCC 3.4.X, Binutils 2.15
MinGW/Win32	x86	GCC 3.4.X, Binutils 2.15

LLVM имеет частичную поддержку следующих платформ:

Операционная система	Архитектура	Компилятор
AIX	PowerPC	GCC
Linux	PowerPC	GCC
AmigaOS	m68k, PowerPC	GCC
Windows	x86	MSVC

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 точкой	float, double, типы, специфичные для конкретной платформы (например, x86_fp80)
Пустое значение	void

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 рекурсивна, то есть можно использовать многомерные массивы, массивы структур, указатели на структуры и функции и т. д.

Операции

Большинство инструкций в LLVM принимают два аргумента (операнда) и возвращают 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. Например:

%x = load i32* %x.ptr        ; загрузить значение типа i32 по указателю %x.ptr 
%tmp = add i32 %x, 5         ; прибавить 5 
store i32 %tmp, i32* %x.ptr  ; и положить обратно

Инструкция malloc транслируется в вызов одноимённой системной функции и выделяет память на 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

См. также

• Сравнение областей применения различных виртуальных машин (англ.)
• LibJIT — Библиотека для компиляции «на лету»

Литература

• Андрей Боровский. LLVM: Генератор быстрого кода // LinuxFormat. — Вып. 2010, № 2 (128). — С. 76-79.
• Bruno Cardoso Lopes, Rafael Auler. Getting Started with LLVM Core Libraries. — Packt Publishing, авг. 2014. — 314 с. — (Community Experience Distilled). — ISBN 978-1-78216-693-1.
• Amy Brown and Greg Wilson (eds.). Chapter 11. LLVM (Chris Lattner) // The Architecture of Open Source Applications. — 2011. — P. 155-170. — 432 p. — ISBN 978-1-257-63801-7. (перевод)
• Арпан Сен. Создание действующего компилятора с помощью инфраструктуры LLVM. Часть 1  (неопр.). IBM developerWorks (12 ноября 2012). Дата обращения: 15 мая 2015., Часть 2
• Chris Lattner. The Design of LLVM  (неопр.). Dr. Dobb’s Journal (29 мая 2012). Дата обращения: 15 мая 2015.
• John Siracusa. Mac OS X 10.6 Snow Leopard: the Ars Technica review → LLVM and Clang  (неопр.). Ars Technica (1 сентября 2009). Дата обращения: 15 мая 2015.

Ссылки

• llvm.org — официальный сайт LLVM
• SAFECode
• libJIT Linear Scan Register Allocator