LLVM/Clang

LLVM与Clang详解

最新推荐文章于 2025-07-04 09:26:24 发布

原创最新推荐文章于 2025-07-04 09:26:24 发布 · 1.6k 阅读

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LLVM本身并不是编译器，是开源的编译器(compiler)架构，是一套用于开发编译器、解释器等程序语言相关工具的库，主要聚焦于编译器后端功能，如代码生成、代码优化、JIT等。

Clang是一个基于LLVM开发的C/C++/Obj-C编译器，有一套独立的前端，后端直接采用LLVM。还有一个较为早期的相关项目LLVM-GCC，是一个将GCC的前端嫁接到LLVM之上拼接而成的一个完整的编译器。

什么是GCC的前端呢，这要从经典编译器说起。

经典编译器

1、经典编译器介绍

一个传统静态编译器（像大多数C编译器）最流行的设计是3阶段的设计，其中主要组件是前端，优化器及后端（下图）。

前端解析源代码，检查错误，并构建一个特定于语言的抽象语法树（AST）来代表输入的代码。可选地AST被转换到一个新的用于优化的表示，优化器及后端可以运行这个代码。

优化器负责进行各种转换尝试改进代码的运行时间，比如重复计算消除，通常或多或少与语言及目标无关。

然后后端（也被称为代码产生器）把代码映射入目标指令集。除了制作正确的代码，它负责产生利用所支持架构不寻常功能的好代码。一个编译器后端的通用部分包括指令选择，寄存器分配，及指令调度。

这个模型同样适用于解释器及JIT编译器。Java性能机（JVM）也是这个模型的一个实现，它使用Java字节码作为前端及优化器间的接口。

2、当一个编译器决定支持多个源语言或目标架构时，这种经典设计最重要的收益出现了。如果编译器在其优化器中使用一个通用的代码表示，那么可以任何可以编译到这个表示的语言编写一个前端，且可以为任何可以从这个表示编译得到的目标编写一个后端，如图所示。

LLVM

LLVM是开源的编译器(compiler)架构，以C++编写而成，用于优化以任意程序语言编写的程序的编译时间(compile-time)、链接时间(link-time)、运行时间(run-time)以及空闲时间(idle-time)，对开发者保持开放，并兼容已有脚本。

LLVM的设计就采用了上述三个阶段的设计。如下图所示。

这样做的优点是如果需要支持一种新的编程语言，那么我们只需要实现一种新的前端。如果我们需要支持一种新的硬件设备，那我们只需要实现一个新的后端。而优化阶段因为是针对了统一的LLVM IR，所以它是一个通用的阶段，不论是支持新的编程语言，还是支持新的硬件设备，这里都不需要对优化阶段做修改。

LLVM IR主要有三种格式：一种是在内存中的编译中间语言；一种是硬盘上存储的二进制中间语言（以.bc结尾），最后一种是可读的中间格式（以.ll结尾）。这三种中间格式是完全相等的。

LLVM IR是LLVM优化和进行代码生成的关键。根据可读的IR，我们可以知道最终生成目标代码之前，我们已经生成了什么样的代码。而且根据IR，我们可以选择使用不同的后端而生成不同的可执行代码。同时，因为使用了统一的IR，所以我们可以重用LLVM的优化功能，即使我们使用的是自己设计的编程语言。

例如，llvm-gcc前端采用gcc。llvm-gcc 是 GNU Compiler Collection (gcc) 的修改版本，可以在使用

-S
 -emit-llvm

选项运行时会生成 LLVM 字节代码。

Clang ( 发音为 /klæŋ/)

Clang是一个C++编写、基于LLVM，C、C++、Objective-C、Objective-C++语言的轻量级编译器。源代码发布于BSD协议下。它与GNU C语言规范几乎完全兼容（当然，也有部分不兼容的内容，包括编译命令选项也会有点差异），并在此基础上增加了额外的语法特性，比如C函数重载（通过__attribute__((overloadable))来修饰函数），其目标（之一）就是超越GCC。

Clang 是一个编译器前端，这也就是说：Clang 将目标程序进行分析，然后生成结构化的，树状的语法表示 , 即抽象语法树 AST(Abstract Syntax Tree)。

1、Clang 的开发背景

由于 GNU 编译器套装 (GCC) 系统庞大，而且 Apple 大量使用的 Objective-C 在 GCC 中优先级较低，同时 GCC 作为一个纯粹的编译系统，与 IDE 配合并不优秀，Apple 决定从零开始写 C family 的前端，也就是基于 LLVM 的 Clang 了。Clang 由 Apple 公司开发，源代码授权使用 BSD 的开源授权。

2、基于 Clang 的编程

与许多编译器前端相比，Clang 的最大特点就是良好的结构化设计，每部分都是一个单独的库 (library)。也就是说您可以单独的使用其中的一部分，来编写自己的程序。