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[原创]LLVM了解篇剧场版
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发表于: 2018-11-26 13:38
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llvm入门
feicong@llvm频道
首先介绍一下这个频道。为什么想要开这样一个频道，因为国内有关llvm的资料实在是太缺乏了，缺乏到什么程度，没有一本(中文)图书是讲llvm的，网上可以搜集到的资料也非常的少，要么就都是高深莫测，不适合新手入门，或者晦涩难懂的机器翻译，佶屈聱牙，恍若天书。
另一方面，现在已经全面进入了移动互联网时代，移动App的普及，带来的App安全保护和加固方面的需求也愈发强烈，安全从业人员与黑产的对抗早已上升到编译器层面，Native级别的花指令、字符串混淆和控制流混淆、虚拟机等加固等产品的出现，为厂商保护自己的知识产权，提高产品的安全级别，提高被破解的难度和成本，做出了不可磨灭的贡献。
更何况现在都8102年了，移动战略那都是明日黄花，市面上最火热的已经是大数据、人工智能和NPU了。在人工智能算法陷入性能瓶颈，大家都在思考如何将硬件的特性发挥到极致的今天，在编译器算法的研究上花点功夫，提高软硬件协同工作的性能，是今后未来芯片厂商所要关注的一个重点。这也是为什么高通、英特尔、ARM、华为等芯片公司长期占据着llvm基金会赞助商榜首的原因。
昨天碰巧看到知乎大神蓝色刚刚出炉的一篇文章《手把手带你遨游TVM》（当然他也是llvm坚定地拥护者，写了很多llvm的文章 ），介绍了多种AI训练框架Training之后的结果在不同硬件上的Inference问题，如Intel CPU / Intel GPU / ARM CPU / ARM GPU / NV GPU / FPGA / AI芯片等，而要在这多种多样的设备中都保持一个高效的Inference性能，其实是一件很有挑战的事情，这里面就涉及到了软硬件结合的问题，自古就是各种性能优化关注的重点问题。
让我们回到主题上来，编译器技术如此重要，国内资料却如此缺乏。资料基本上全是英语，《编译原理》本身也是一门CS专业需要到大三才会开始授学的专业课。而且说实话，国内的编译原理的教育可以说是非常失败的，学生上完课跟没上一个样的情况非常多，可能也跟连老师都没有动手操作过一个编译器有关。学生如果想要切实的学点知识的话，又面临着资料匮乏的问题，恶性循环，如此往复。
所以迫切需要有人来打破这个僵局，这也是我做这个频道的初衷，希望可以凭借我们大家的力量，将feicong@llvm这个圈子做好、运营好、运转好。我将在这个方向上持续地投入时间和精力，也希望大家可以支持我，加入到圈子中来，一起学习和讨论llvm知识。编译器是一门非常底层的技术，不管您是做科研、还是做框架，做开发、还是做安全，在编译器方向有所建树会为您的简历增光不少，评级评优也好，升职跳槽也好，会这门“手艺”都非常吃香，想象一下HR或者CTO或者技术leader拿着您的简历，上面写着“熟悉llvm编译器及编译原理”的场景，hold住二面现场从未如此简单。
这将是你这么多年来，花的最值的五十块钱！！
加入方法：可以直接在看雪学院学习：链接（https://www.kanxue.com/book-37.htm）
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我们将会从实际的操作和代码的角度出发，对以下主题进行剖析。
未来也打算开一些线下meetup和现场教学，当然圈内的你肯定是享有优先体验权！还在等什么？赶紧拿起微信扫一扫吧！
llvm概论
起源与发展
LLVM项目的起源也是来源于Chris Lattner个人对编译器的兴趣，这种模式在欧美非常普遍，比如Linux的诞生就是，当时还是大二学生的大嘴巴托瓦兹个人想要重新造一个*nix内核，结果一大堆人在群里讨论得津津有味，然后大家纷纷建言献策。说明对kernel感兴趣的人特别多，群众基础才是大基础，群众路线才是XXXXX，（此处省略马哲课文献100页）。
同样，很多大学生学完编译原理（Complier Principles Technology & Tools，龙书）之后，满身才华没有用武之地，（这浑身按耐不住的查克拉，是什么感觉。。。）所以想要找点类似的事情干，满足一下自己的好奇心，在老外眼里叫做 “hack something” ，当然这种文化在中国是没有的，paper、建模和导师是压在莘莘学子身上不断摩擦的三座大山。
越来越多的人提出了一大堆建议，并且还贡献了一堆代码，对于歪果仁来说，你这里做的不对，不指正你一下，是很难受的一件事情。所以越往后这个项目越来越大，bug也越来越少，可用性越来越强，然后很多商业机构看到这里这个编译器实现的挺好的嘛，而且还是开源的，我们也是鲁迅“拿来主义”的坚定奉行者，来来来，新来的你们仨，周末回家带上笔记本哈～下周一我们就决定 "All IN" LLVM！
其实在硅谷，很多高科技公司的创始人，本来就是学校的老师或教授。教授手下有几家科技企业，简直是硅谷教授的标配。教授看到越来越多的公司，在项目中使用LLVM编译器，巧了马上又要教龙书了（这本书封面是一批Dragon）（PS：外国文化的Dragon和中国龙不是一个物种）（龙书从1982年出版到现在，已经36年了，教授每年都要教），教授心里想，教泥煤的教，龙书自己去看，我们来聊聊LLVM！这才是8102年编译器该有的模样！
学生们本来就头很大，龙书里其实啥都有，也啥都没有，以前只能啃啃GNU的gcc，gcc的历史跟龙书一样悠久，那代码读起来那个酸爽，就跟老奶奶的裹脚布一样，同学们看一次吐一次。要不是因为其他没得选，开源的(貌似)就它一个！而且使用最广泛的也是它。尽管如此，长年累月积累下来的架构的更迭和设计的混乱，没个教授或者博士的经验，根本读起来都费劲。
那难道就没有一个现代一点的编译器了么？有，那就是llvm！
跟gcc比起来，llvm算是一个“人写的”、“给人看的”编译器。llvm清爽、干净、模块化，gcc用的是单体结构，这玩意儿已经不适合现代人来阅读了。llvm用的C++，gcc用的c，哪个更现代化一目了然。学生们非常欢迎llvm，通过学习llvm来理解编译原理往往事半功倍，倍儿轻松，用起来也得心应手，这才是llvm得以普及和迅速扩大影响的关键！llvm在学术界的成功可以说是实践与理论之间差距不断缩小的结果。
后来学生们走上了社会，比如去苹果公司上班了，当然还是继续使用llvm编译器，这时候就涉及到了许可证的问题。gcc用的是GPL许可证，GPL是有名的病毒协议，一日GPL，终身GPL，你用了它的作品，你自己也得免费开源，那我还用你个毛，我产品都送你好了。这在商业环境下是不可能的，而llvm自己的协议，几乎就是Do What The Fuck You Want To Do Lisence，你可以do what the fuck you want to do ，唯一的要求就是别忘了提一下他们的LLVM lisence。
在先进的“WTFPL” license帮助下，产业界迅速地扔掉了gcc，拥抱更加开放的、可以拿来随便改的llvm，影响迅速扩大，2012年llvm被授予ACM软件系统奖，正是对llvm的高度认可。反之由于产业界的高度认同及其回哺，llvm从学术界的懵懂、迅速成长为具有工业级稳定性、前所未有的成熟度和极高效率的编译器。
趣闻：
Chris Latter本来只是想写一个底层的虚拟机，这也是LLVM名字的由来，low level virtual machine，跟Java的JVM虚拟机一样，可是后来，llvm从来没有被用作过虚拟机，哪怕LLVM的名气已经传开了。所以人们决定仍然叫他LLVM，更多的时候只是当作“商标”一样的感觉在使用，其实它跟虚拟机没有半毛钱关系。
LLVM的功能介绍
以C/C++为例，LLVM编译系统包括以下内容：
- 一个良好的前端；
GCC 4.2解析器能解析的语言，比如C，C ++，Objective-C，Fortran等，它都能提供同能能力的支持；另外它还能支持一些GCC的扩展插件。 - LLVM指令集的稳定实现；不管代码处于何种状态，都可以在汇编（ASCII）和字节码（二进制）之间自由转换。
- 一个功能强大的
Pass管理系统，它根据它们的依赖性自动对Pass（包括分析，转换和代码生成Pass）进行排序，并将它们管道化以提高效率。 - 广泛的全局标量优化。
- 包含丰富的分析和转换的链接时过程优化框架，包括复杂的完整程序指针分析、调用图构建以及对配置文件引导优化的支持。
- 易于重定向的代码生成器，目前支持X86，X86-64，PowerPC，PowerPC-64，ARM，Thumb，SPARC，Alpha，CellSPU，MIPS，MSP430，SystemZ和XCore。
- Just-In-Time（JIT）即时编译器，目前支持X86，X86-64，ARM，AArch64，Mips，SystemZ，PowerPC和PowerPC-64。
- 支持生成DWARF调试信息。
DWARF - Object files and linked products will use DWARF as the debug information format. [dwarf]
DWARF with dSYM File - Object files and linked products will use DWARF as the debug information format, and Xcode will also produce a dSYM file containing the debug information from the individual object files (except that a dSYM file is not needed and will not be created for static library or object file products). [dwarf-with-dsym]
- 用于测试和生成除上面列出的目标之外的目标的本机代码的C后端。
- 与gprof类似的分析系统。
- 具有许多基准代码和应用程序的测试框架。
- API和调试工具，以简化LLVM组件的快速开发。
LLVM的强项
- LLVM使用具有严格定义语义的简单低级语言。
- 它包括C和C++/Objective-C、Java，Scheme等众多的前端（其中也有一部分处于开发之中
- 它包括一个优化器，支持标量、过程间、配置文件驱动和一些简单循环的优化。
- 它支持完整编译模型，包括链接时，安装时，运行时和离线优化。
- LLVM完全支持准确的垃圾回收。
- LLVM代码生成器由于拥强大的目标描述语言所以可以支持众多架构。
- LLVM拥有丰富的文档，各种项目的介绍都非常丰富。
- 许多第三方用户声称LLVM易于使用和开发。例如，Stacker前端（现已不再维护）是在4天内由一个对LLVM小白编写的。此外，LLVM拥有很多帮助新手迅速上手的工具。
- LLVM正在积极开发中，并且不断得到扩展，增强和改进。
- LLVM 的条款非常开放，几乎是随意使用，只要别忘了带上他们的lisence就行。
- LLVM目前由多个商业公司使用，他们开发并贡献了许多扩展和新功能。
LLVM适合哪些人
- 对C和C ++程序的编译时，链接时（过程间）和运行时转换感兴趣的编译器研究人员；
- 对可移植的，与语言无关的指令集和编译框架感兴趣的虚拟机研究人员
- 对编译器/硬件技术感兴趣的架构研究员
- 对静态分析或插桩技术感兴趣的安全研究人员
- 想要快速开发编译器原型的教师或开发人员
- 希望获得更好性能的最终用户开发者
llvm安装和编译
我们聊一下从源码环境中编译生成llvm套件的可执行文件。这种方式对于深入学习llvm的读者来说，是必须要掌握的。
下载源代码，然后使用编译工具进行编译。编译工具可以是llvm，也可以是gcc。我们分别介绍一下。
源代码在http://releases.llvm.org/download.html官网进行下载：
macOS：使用llvm单独编译llvm
llvm与clang都作为单独的组件以开源形式提供，可以单独编译它们，也可以组全在一起编译。我们先来看下，如何单独编译llvm。
执行如下命令，下载与解压llvm的源码。
$ wget http://releases.llvm.org/7.0.0/llvm-7.0.0.src.tar.xz --2018-10-23 22:02:46-- http://releases.llvm.org/7.0.0/llvm-7.0.0.src.tar.xz 正在解析主机 releases.llvm.org (releases.llvm.org)... 151.101.42.49, 2a04:4e42:6::561 正在连接 releases.llvm.org (releases.llvm.org)|151.101.42.49|:80... 已连接。 已发出 HTTP 请求，正在等待回应... 302 Found 位置：http://117.143.109.133/cache/releases.llvm.org/7.0.0/llvm-7.0.0.src.tar.xz?ich_args2=139-23220102015663_6b4dad2fb2c1b96f7fc8786bd843192d_10001002_9c89602cd4c3f2d2973a518939a83798_c6988e40d0518b9e703b7a4f6f4dd23a [跟随至新的 URL] --2018-10-23 22:02:47-- http://117.143.109.133/cache/releases.llvm.org/7.0.0/llvm-7.0.0.src.tar.xz?ich_args2=139-23220102015663_6b4dad2fb2c1b96f7fc8786bd843192d_10001002_9c89602cd4c3f2d2973a518939a83798_c6988e40d0518b9e703b7a4f6f4dd23a 正在连接 117.143.109.133:80... 已连接。 已发出 HTTP 请求，正在等待回应... 200 OK 长度：28324368 (27M) [application/octet-stream] 正在保存至: “llvm-7.0.0.src.tar.xz” llvm-7.0.0.src.tar.xz 21%[======================> ] 5.86M 1.08MB/s 剩余 21s $ tar -xvf llvm-7.0.0.src.tar.xz
注意：编译不可以在解压后的文件夹内部编译，需要在外部新建一个文件夹，否则编译会失败！
执行以下命令，新建mybuilder目录，并进行编译配置。
$ mkdir mybuilder $ cd mybuilder $ cmake ../llvm-7.0.0.src/
PS：如果没有
cmake可以先用brew install cmake安装一下，然后再执行cmake命令。
然后再执行以下命令开始编译：
$ cmake --build
然后就开始编译了。
CPU占用率一直不高，稳定在比较低的状态。一直到结束都不高，大概需要一小时左右。
完成之后进来看看:
$ cd bin $ ls FileCheck llvm-cat llvm-dwp llvm-modextract llvm-readobj not bugpoint llvm-cfi-verify llvm-exegesis llvm-mt llvm-rtdyld obj2yaml count llvm-config llvm-extract llvm-nm llvm-size opt dsymutil llvm-cov llvm-go llvm-objcopy llvm-special-case-list-fuzzer sancov llc llvm-cvtres llvm-isel-fuzzer llvm-objdump llvm-split sanstats lli llvm-cxxdump llvm-lib llvm-opt-fuzzer llvm-stress verify-uselistorder lli-child-target llvm-cxxfilt llvm-link llvm-opt-report llvm-strings yaml-bench llvm-PerfectShuffle llvm-demangle-fuzzer llvm-lit llvm-pdbutil llvm-strip yaml2obj llvm-ar llvm-diff llvm-lto llvm-profdata llvm-symbolizer llvm-as llvm-dis llvm-lto2 llvm-ranlib llvm-tblgen llvm-bcanalyzer llvm-dlltool llvm-mc llvm-rc llvm-undname llvm-c-test llvm-dwarfdump llvm-mca llvm-readelf llvm-xray $ ./llvm-as -version LLVM (http://llvm.org/): LLVM version 7.0.0 DEBUG build with assertions. Default target: x86_64-apple-darwin16.7.0 Host CPU: broadwell
当然，llvm后端要配合clang前端才能使用，clang前端的编译方法也跟llvm类似。
macOS：使用llvm混合编译llvm&&clang
大部分流程跟上文中macOS系统下用llvm编译过程类似，首先下载llvm和clang的源码包并解压，把解压后的clang的源码包重命名，并移动到llvm-7.0.0.src/tools/目录下，最终效果为llvm-7.0.0.src/tools/clang/。
然后在build文件夹里运行$ cmake -G "Unix Makefiles" ../llvm-7.0.0.src命令，cmake会检查编译环境，如果没有报错（有报错的解决报错），直接运行make命令即可开始编译。
编译完成之后，在build/bin/目录下，即可找到llvm和clang`的工具。
$ ls FileCheck llc llvm-go llvm-size arcmt-test lli llvm-isel-fuzzer llvm-special-case-list-fuzzer bugpoint lli-child-target llvm-lib llvm-split c-arcmt-test llvm-PerfectShuffle llvm-link llvm-stress c-index-test llvm-ar llvm-lit llvm-strings clang llvm-as llvm-lto llvm-strip clang++ llvm-bcanalyzer llvm-lto2 llvm-symbolizer clang-7 llvm-c-test llvm-mc llvm-tblgen clang-check llvm-cat llvm-mca llvm-undname clang-cl llvm-cfi-verify llvm-modextract llvm-xray clang-cpp llvm-config llvm-mt not clang-diff llvm-cov llvm-nm obj2yaml clang-format llvm-cvtres llvm-objcopy opt clang-func-mapping llvm-cxxdump llvm-objdump sancov clang-import-test llvm-cxxfilt llvm-opt-fuzzer sanstats clang-offload-bundler llvm-demangle-fuzzer llvm-opt-report scan-build clang-refactor llvm-diff llvm-pdbutil scan-view clang-rename llvm-dis llvm-profdata set-xcode-analyzer clang-tblgen llvm-dlltool llvm-ranlib verify-uselistorder count llvm-dwarfdump llvm-rc yaml-bench diagtool llvm-dwp llvm-readelf yaml2obj dsymutil llvm-exegesis llvm-readobj hmaptool llvm-extract llvm-rtdyld $ ./clang --version clang version 7.0.0 (tags/RELEASE_700/final) Target: x86_64-apple-darwin16.7.0 Thread model: posix InstalledDir: /Users/userid/Desktop/mybuilder/bin/.
了解篇目录一览
第一大部分的了解篇已经进入了尾声，可能后面还会有小的更新，但整体上，经过这几篇的讲解，相信大家对llvm的功能与能力已经有了比较基础的认知。在后面的上手篇内容当中，我们将深入讨论llvm的前后端组件及特性，希望大家持续的关注与喜欢。
以下为了解篇中，前面内容的一个目录：
到这里，本篇就结束了！
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