1.1 LLVM設計思路分析

LLVM項目起源于伊利諾伊大學香檳分校的研究型項目，在2000年由Chris Lattner和其導師Vikram Adve發起，并于2003年正式開源并發布1.0版本。2002年，Lattner在其碩士論文“LLVM: AN INFRASTRUCTURE FOR MULTI-STAGE OPTIMIZATION”中詳細介紹了LLVM的設計思路，本節將簡單總結這一思路。

LLVM的愿景是實現一個編譯器的基礎設施，能適配現代編程語言、硬件架構發展，它有3個目標。

1）具備多階段優化能力（如過程內優化、過程間優化、配置文件驅動的優化），保證程序執行性能足夠高。

2）提供基礎機制，方便進行編譯器研發。

3）兼容標準系統編譯器的行為。

為了達到這些目標，LLVM設計了一套虛擬指令集，稱為LLVM IR。雖然LLVM IR是低級的中間表示，但是它攜帶了程序的類型信息，這樣的IR設計既方便了靜態編譯優化，又允許在鏈接時進行優化。Lattner設想在鏈接優化完成后生成的二進制文件中，既可以包含可執行代碼，又可以包含IR，其中IR可以用于后續的JIT優化[1]。Lattner還設想在LLVM中提供運行時優化，通過監控程序的執行過程來收集反饋信息（profile information）并用于指導程序優化[2]。

LLVM編譯器整體架構圖如圖1-1所示。

圖1-1 LLVM編譯器整體架構圖

從圖1-1中可以看到，LLVM編譯優化策略和程序的“編譯-鏈接-執行”模式完全匹配，在編譯期、鏈接期、執行期都可以進行優化。和其他編譯器不同的是：LLVM借助了LLVM IR，大量的優化工作都是圍繞LLVM IR展開的，不同的優化都由獨立的模塊完成。

1）編譯時優化：各個語言的編譯器前端將代碼翻譯成LLVM IR，LLVM優化器針對LLVM IR做盡可能多的優化。編譯期優化大多數屬于局部優化（少量優化是過程間優化），通常包含架構無關優化和架構相關優化。

2）鏈接時優化：編譯器在編譯時為函數提供過程間摘要信息，并附加到LLVM IR中，在連接時使用這些信息完成優化。

3）運行時和離線優化：基于收集的程序執行信息，再次對應用進行優化。

在這些優化工作中，LLVM IR是整個編譯系統設計的關鍵，具有如下特點。

1）LLVM使用LLVM IR描述一個虛擬架構并捕獲常規處理器的關鍵操作，同時消除了特定機器架構限制，如物理寄存器、流水線、調用約定、陷阱等方面的限制。

2）LLVM IR提供無限數量的類型化虛擬寄存器，并用這些寄存器來存儲基礎類型（如整型、浮點型、指針類型）的值。LLVM IR采用SSA形式，從而更便于進行編譯優化。

3）在LLVM IR中提供了特有的指令，顯式描述異常控制流信息。

4）LLVM IR約定虛擬寄存器和內存之間，僅靠load和store指令進行數據交換，交換數據時需要約定數據類型。內存被劃分為全局區域、棧、堆（過程被視為全局對象），其中棧、堆上的對象分別使用alloca指令[3]和malloc指令操作分配空間，并通過這兩個函數返回的指針值來訪問相應的空間，棧對象在當前函數的棧幀中分配，控制流（線程）離開函數時自動釋放棧對象，堆對象必須使用free指令進行顯式釋放。

5）LLVM IR集成了運行時和系統函數，如I/O、內存管理、信號量等的相關函數，這些函數由運行時庫提供，可以被程序鏈接使用。同時LLVM IR提供文本、二進制、內存3種文件格式，以方便開發、存儲和運行。

LLVM IR提供了各種分析和變換的Pass（Pass是指對編譯對象進行一次處理，詳細內容可以參考附錄C），以及配套的工具集，如匯編、反匯編、解釋器、優化器、編譯器、測試套等相關工具，能幫助開發者快速入門和使用LLVM。