LLVM 全面解析：NDK 为什么离不开它？如何亲手编译调试 clang

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1. LLVM 简介

LLVM（Low Level Virtual Machine）最初是一个编译器研究项目，如今已发展成一个模块化、可重用的编译器框架。

它包含前端（Frontend）、中间表示（IR, Intermediate Representation）、优化器（Optimizer）和后端（Backend, Code Generator）等组件。

开发者可以使用 LLVM 将高级语言源代码（如 C/C++、Rust、Swift 等）转换成中间表示，再经过优化和代码生成，最终编译为机器码。与传统编译器不同，LLVM 的设计高度模块化，方便扩展、优化和跨平台支持。

相关链接：

• LLVM 官网：https://llvm.org/

• Getting Started with LLVM Core Libraries（中文版）

• LLVM Release 版本下载地址：https://github.com/llvm/llvm-project/releases

2. LLVM 与 Android NDK 的关系

在 Android NDK 中，我们通常用 C/C++ 编写性能敏感的模块，最终需要编译为运行在 ARM、ARM64、x86 等架构上的本地机器码。这个过程的核心就是 LLVM/Clang。

整个编译大致可以分为以下几个阶段：

C/C++ 源码  
   ↓ (Clang 前端)  
LLVM IR  
   ↓ (LLVM 优化器)  
优化后的 IR  
   ↓ (LLVM 后端 CodeGen)  
汇编 / 机器码  
   ↓ (链接器 lld)  
.so 动态库

NDK 中 LLVM/Clang 所在路径

查看 clang 版本，这里版本是 18.0.2

(base) PS D:\App\android\sdk\ndk\27.1.12297006\toolchains\llvm\prebuilt\windows-x86_64\bin> ./clang --version

Android (12285214, based on r522817b) clang version 18.0.2 (https://android.googlesource.com/toolchain/llvm-project d8003a456d14a3deb8054cdaa529ffbf02d9b262)
Target: x86_64-w64-windows-gnu
Thread model: posix
InstalledDir: D:/App/android/sdk/ndk/27.1.12297006/toolchains/llvm/prebuilt/windows-x86_64/bin

自 Android NDK r18 开始，Google 弃用了 GCC，全面转向使用 LLVM/Clang 作为 NDK 的编译工具链。

为什么 NDK 要用 LLVM？

• 跨平台：一次编写，轻松编译成适配多架构的库。

• 高性能优化：LLVM 提供强大的优化工具，能在有限硬件环境下榨干性能。

• 现代化生态：相比 GCC，LLVM/Clang 更新更快、支持 C++ 标准更完善，也更利于 Android 长期维护。

3. 下载 LLVM

LLVM 下载地址：https://releases.llvm.org/

选择与 NDK 中 LLVM/Clang 版本相近的下载，比如这里是 ndk 版本 27.1.12297006，clang 版本 18.0.2，所以选择版本相近的 LLVM 18.1.8 。

通过下面命令，把 LLVM 18.1.8 版本源码下载到本地

git clone --depth 1 --branch llvmorg-18.1.8 https://github.com/llvm/llvm-project.git

4. LLVM 项目结构

llvm-project/
├── .clang-tidy                 # Clang-Tidy 配置文件，用于代码静态分析和代码质量检查
├── .gitattributes              # Git 属性配置文件，控制文件的检查、合并和不同平台的换行符设置
├── .git-blame-ignore-revs      # Git blame 忽略特定提交，用于排除格式化提交的影响
├── .gitignore                  # Git 忽略文件配置，定义哪些文件和目录不应纳入版本控制
├── .mailmap                    # Git 邮件映射文件，用于规范化提交者的邮箱地址
├── CODE_OF_CONDUCT.md          # 社区行为规范，规定贡献者的行为守则
├── CONTRIBUTING.md             # 贡献指南，介绍如何为项目做贡献
├── LICENSE.TXT                 # 项目开源许可证，通常为 Apache License 2.0
├── README.md                   # 项目简介和快速入门指南
├── SECURITY.md                 # 安全报告流程，说明如何报告安全漏洞
├── .ci                         # 持续集成相关配置文件
├── .github                     # GitHub 特定文件（如 issue 模板、pull request 模板、CI 配置等）

├── bolt                        # BOLT (Binary Optimization and Layout Tool)，用于对二进制文件进行优化和布局调整
├── clang                       # Clang 编译器前端，支持 C、C++、Objective-C 等语言
├── clang-tools-extra           # Clang 相关的额外工具，如 clang-tidy、clangd、include-fixer 等
├── cmake                       # CMake 模块和工具，辅助构建 LLVM 项目
├── compiler-rt                 # 运行时库，包括 AddressSanitizer、ThreadSanitizer、UBSan 等
├── cross-project-tests         # 跨项目测试，确保各个子项目在一起工作时的兼容性
├── flang                       # Fortran 编译器前端，将 Fortran 代码编译为 LLVM IR
├── libc                        # LLVM 实现的标准 C 库 (libc)，专为高性能场景设计
├── libclc                      # OpenCL C 标准库实现，主要用于 GPU 计算
├── libcxx                      # LLVM 的 C++ 标准库实现（如 `<iostream>`、`<vector>`）
├── libcxxabi                   # C++ ABI 支持库，用于异常处理和 RTTI（运行时类型识别）
├── libunwind                   # 轻量级栈展开库，用于实现异常处理时的栈展开功能
├── lld                         # LLVM 项目的高效链接器，替代 GNU ld
├── lldb                        # LLVM 调试器，类似于 GDB，支持调试 C、C++、Swift 等语言
├── llvm                        # LLVM 核心库，包括 IR 生成、优化和代码生成
├── llvm-libgcc                 # 提供 GCC 兼容的库（如 `__builtin` 函数的实现）
├── mlir                        # 多层次中间表示（MLIR），用于 DSL 和机器学习编译器开发
├── openmp                      # OpenMP 运行时库，支持并行编程
├── polly                       # LLVM 的循环优化器，用于自动并行化和矢量化
├── pstl                        # 并行 STL（C++ 标准模板库）实现，提升算法性能
├── runtimes                    # 各种运行时库的集合（如 libc、libc++、compiler-rt）
├── third-party                 # 第三方依赖库，如 googletest（用于单元测试）
├── utils                       # 辅助工具和脚本（如更新文档、构建脚本等）

├── .arcconfig                  # Phabricator 配置文件，用于项目代码审查
├── .arclint                    # Phabricator Lint 配置文件，用于代码风格检查
├── .clang-format              # Clang-Format 配置文件，用于统一代码风格

5. 编译 LLVM

Getting Started with the LLVM System：https://llvm.org/docs/GettingStarted.html

5.1 下载并安装必需的软件

比如，我这里是 Windows 11，先安装 Visual Studio

5.2 安装 Python 依赖项

pip install pygments pyyaml

5.3 创建构建目录

搜索 “x64 Native Tools Command Prompt for VS” （这个工具默认配置 64 位环境）

创建构建目录

cd D:\Projects\llvm-project

mkdir build

进入 build 目录，并检测 cmake 和 ninja 是否能正常运行

**********************************************************************
** Visual Studio 2022 Developer Command Prompt v17.12.0
** Copyright (c) 2022 Microsoft Corporation
**********************************************************************
[vcvarsall.bat] Environment initialized for: 'x64'

D:\App\VisualStudio\IDE>cd D:\Projects\llvm-project\build

D:\Projects\llvm-project\build>cmake --version
cmake version 3.29.5-msvc4

CMake suite maintained and supported by Kitware (kitware.com/cmake).

D:\Projects\llvm-project\build>ninja --version
1.12.1

5.4 生成编译配置

运行 CMake 生成编译配置

cmake -G "Ninja" -DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug -DCMAKE_CXX_FLAGS="/utf-8" -DLLVM_ENABLE_RTTI=ON -DLLVM_ENABLE_EH=ON -DLLVM_ENABLE_PROJECTS="llvm;clang;lld" ../llvm

命令参数说明

1. CMAKE_BUILD_TYPE（构建类型）

• Release: 生成优化后的构建，无断言和调试信息。适合用于发布。

• Debug: 生成未优化的构建，包含断言和调试信息。适合用于调试。

• RelWithDebInfo: 生成优化后的构建，无断言，但包含调试信息。适合需要调试符号但仍然希望性能接近 Release 的情况。

• MinSizeRel: 生成针对最小尺寸优化的构建，而非速度优化。适合用于空间受限的环境。

2. LLVM_ENABLE_RTTI / L