LLVM里的寄存器分配 - 线性扫描算法（二）

1 背景介绍

在上一篇博文 LLVM 里的寄存器分配 - 准备工作（一） 里，我主要整理了 LLVM 在做寄存器分配前所做的准备工作，介绍了 LLVM 是在怎样的 MIR 上做的寄存器分配。接下来，就需要讲讲 LLVM 是如何做寄存器分配了。虽然我学习的第一个寄存器分配算法是图着色算法，但由于目前的 LLVM 版本里使用的寄存器分配器均是线性扫描算法的变种（事实上 LLVM3.0 版本以前的寄存器分配器默认使用的就是线性扫描算法），因此本文主要介绍线性扫描算法的理论知识以及相关术语，图着色算法的具体过程可以参考文档 Global Register Allocation。

2 为什么不使用图着色算法？

在开始研究 LLVM 里的寄存器分配算法之前，我一直以为 LLVM 使用的是图着色算法，后来了解多一点才发现 LLVM 至始至终就没有考虑过图着色。这是为什么呢？这个问题其实在 LLVM3.0 的发布会议上，这一版本寄存器分配器的开发者 Olesen 在他的 报告 里提到过，如下所示：

 不难发现，不使用图着色算法的根本原因是它要先构造好完整的干涉图，才能在图上着色，而干涉图的构造代价太过高昂。应该说，图着色过程中的大部分开销都集中于干涉图的构造阶段。因此，虽然图着色生成的代码质量很高，但是对于讲究编译效率的现代编译器来说，其时间成本是不可忽视的。对于对编译时间更加敏感的 JIT 编译器来说，则更是如此。

除此之外，在实际的编译工作中，人们发现了另外一个问题。由于在目前所有的硬件架构中，寄存器的数目都是有限的，故对于大型程序来说，寄存器不够用可以说是必然存在的情况。换句话说，大型程序一定会产生大量溢出。问题就出现在这里，因为图着色算法把重点放在解决“如何把所有的程序变量尽可能地分配到寄存器中”，如果程序一定会大量产生溢出，那么，关注“如何高效地溢出”比关注“如何尽量减少溢出”更有