LLVM系列：1.设计思想和LLVM IR简介

背景介绍

LLVM项目于2000年创立于伊利诺斯州大学，原本是一个为了静态及动态编程语言而生的现代的，基于静态单赋值（SSA）编译技术的研究项目。现在已经成长为一个包含许多子项目的大型项目，提供了一系列具有良好定义接口的可重用库。

LLVM采用C++语言实现，其最关键的部分是其提供的LLVM核心库。这些库提供开发者opt工具，与目标机器无关的优化器，以及对多种目标架构的代码生成支持。这些库围绕着LLVM中间表示（Intermediate Representation，IR）进行构建，几乎能够所有的高层级编程语言都能够映射成为LLVM IR。因此，要使用LLVM的优化器和代码生成技术，需要首先编写一个能够将高级语言转化生成LLVM IR的编译器前端。

内容简介

本文简单的总结了 LLVM essentials这本书的第一章内容，主要包括：

1. LLVM库的集合以及模块化设计。
2. 熟悉了解LLVM IR。
3. 大致了解LLVM工具并在命令行中使用他们。

LLVM库的集合以及模块化设计

LLVM优化器的模块化设计

LLVM的优化器opt，优化器中定义了很多pass。在编译器的优化过程中，“pass” 是指一系列特定的优化步骤或阶段，这些步骤会逐一处理编译器生成的中间表示（例如，抽象语法树、中间代码），以改进程序的性能和效率。每个优化 pass 都有一个具体的任务，它可以执行一种或多种代码变换，以减少计算或内存消耗，提高程序的速度或减少代码大小等。

这些 pass按顺序运行，每个 pass 都在前一个 pass 的基础上进一步优化代码。每个pass都是由c++编写的一个类，该类原始继承自LLVM的Pass类。每个pass能够被编译成动态链接库xxx.o，随后被组合归档整理成为一个静态链接库xxx.a，该静态库包含opt工具中的所有pass，并且他们彼此之间是低耦合的，这些pass会显式地声明彼此之间的dependency（包括glue dependency，chain dependency，data flow dependency等）。

之所以称优化器是模块化设计的，是因为这种设计可以让开发者通过显示地声明依赖关系来控制pass执行的顺序，并能够控制哪些pass需要执行，哪些不需要。随后LLVM PassManger通过这些显式声明的依赖关系来以最优的方式运行这些pass，并且仅仅是需要运行的pass会被链接，而非每次都需要链接整个优化器。

下图引自[1]，说明了不同的pass之间的关系。

​ 图1 优化器pass的模块化设计

LLVM代码生成器的模块化设计

代码生成器也是用了像优化器一样的模块化设计，将整个代码生成过程分成一个个的pass，如指令选择，寄存器分配，调度，代码布局优化，发射汇编代码等等。

在代码生成的过程中，所有的目标架构都具有一些相同的步骤，如需要为虚拟寄存器分配可用的物理寄存器，但是对于不同的目标架构（目标机器），寄存器的集合又不尽相同。因此，编译器开发者可以按需调整每个pass，甚至可以根据目标机器的不同架构，创建自己的自定义pass。通过使用表描述文件.td，Tablegen工具能够帮助实现为不同的目标机构实现代码生成，主要是通过在.td文件中记录目标架构的特性，如寄存器