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LLVM

多种编程语言的编译器后端

LLVM是一套编译器基础设施项目，为自由软件，以C++写成，包含一系列模块化的编译器组件和工具链，用来开发编译器前端和后端。它是为了任意一种编程语言而写成的程序，利用虚拟技术创造出编译时期、链接时期、执行时期以及“闲置时期”的优化。

LLVM
原作者Chris Lattner, Vikram Adve（英语：Vikram Adve）
开发者LLVM开发团队
首次发布2003
当前版本19.1.3[1]在维基数据编辑（2024年10月30日）
原始码库
编辑维基数据链接
编程语言C++
操作系统跨平台
类型编译器
许可协议带有LLVM例外的Apache许可证2.0
网站www.llvm.org

它最早以C/C++为实现对象，而目前它已支持包括ActionScript、Ada、D语言、Fortran、GLSL、Haskell、Java字节码、Objective-C、Swift、Python、Ruby、Crystal、Rust、Scala[2]以及C#[3]等语言。

历史

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LLVM项目的发展起源于2000年伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校维克拉姆·艾夫（Vikram Adve）与克里斯·拉特纳（Chris Lattner）的研究，他们想要为所有静态及动态语言创造出动态的编译技术。LLVM是以BSD许可来发展的开源软件。2005年，苹果电脑雇用了克里斯·拉特纳及他的团队为苹果电脑开发应用程式系统[4]，LLVM为现今macOS及iOS开发工具的一部分。

LLVM的命名最早源自于底层虚拟机（Low Level Virtual Machine）的首字母缩写[5]，由于这个项目的范围并不局限于建立一个虚拟机，这个缩写导致了广泛的疑惑。LLVM开始成长之后，成为众多编译工具及低端工具技术的统称，使得这个名字变得更不贴切，开发者因而决定放弃这个缩写的意涵[6]，现今LLVM已单纯成为一个系统，适用于LLVM下的所有项目，包含LLVM中介码（LLVM IR）、LLVM调试工具、LLVM C++标准函数库等。

因LLVM对产业的贡献，电脑协会于2012年将ACM软件系统奖授与维克拉姆·艾夫、克里斯·拉特纳及Evan Cheng[7]。

自9.0.0版本开始，LLVM使用带有LLVM额外条款的Apache许可证2.0进行授权[8]。而从2019年10月开始，LLVM项目的代码托管正式迁移到了GitHub[9]。

描述

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LLVM提供了一套适合编译器系统的中间语言（Intermediate Representation，IR），有大量变换和优化都围绕其实现。经过变换和优化后的中间语言，可以转换为目标平台相关的汇编语言代码。LLVM可以和GCC工具链一起工作，允许它与为该项目编写的大量现有编译器一起使用。LLVM还可以在编译、链接时生成可重定位代码（英语：Relocation (computing)）（Relocatable Code），甚至在运行时生成二进制机器码。

LLVM的中间语言与具体的语言、指令集、类型系统无关，其中每条指令都是静态单赋值形式（SSA）， 即每个变量只能被赋值一次。这有助于简化变量之间的依赖分析。LLVM允许静态编译代码，或者通过实时编译（JIT）机制将中间表示转换为机器码（类似Java）。

LLVM支持与语言无关的指令集架构及类型系统[10]。每个指令都处在静态单赋值形式（SSA）下代表着，每个变量（被称为具有类型的寄存器）仅被赋值一次，这简化了变量间相依性的分析。LLVM允许代码被静态的编译，包含在传统的GCC系统底下，或是类似JAVA等后期编译才将IF编译成机器代码所使用的即时编译（JIT）技术。它的类型系统包含基本类型（整数或是浮点数）及五个复合类型（指针、数组、向量、结构及函数），在LLVM具体语言的类型建制可以以结合基本类型来表示，举例来说，C++所使用的class可以被表示为结构、函数及函数指针的数组所组成。

LLVM JIT编译器可以优化在执行时期时程序所不需要的静态分支，这在一些部分求值（Partial Evaluation）的案例中相当有效，即当程序有许多选项，而在特定环境下其中多数可被判断为是不需要。这个特色被使用在Mac OS X Leopard（v10.5）底下OpenGL的流水线，当硬件不支持某个功能时依然可以被成功地运作[11]。OpenGL堆栈下的绘图程序被编译为IR，接着在机器上执行时被编译，当系统拥有高阶GPU时，这段程序会进行极少的修改并将传递指令给GPU，当系统拥有低端的GPU时，LLVM将会编译更多的程序，使这段GPU无法执行的指令在本地端的中央处理器执行。LLVM增进了使用Intel GMA晶片等低端机器的性能。一个类似的系统发展于Gallium3D LLVMpipe，它已被合并到GNOME，使其可运行在没有GPU的环境[12]。

根据2011年的一项测试，GCC在执行时期的性能平均比LLVM高10%[13][14]。而2013年测试显示，LLVM可以编译出接近GCC相同性能的执行码[15]。

编译器

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LLVM已经成为多个编译器和代码生成相关子项目的母项目。

前端

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LLVM最初被用来取代GCC中的代码产生器[16]，许多GCC的前端已经可以与其运行，LLVM目前支持Ada、C语言、C++、D语言、Fortran、Haskell、Julia、Objective-C、Rust及Swift的编译，它使用许多的编译器，有些来自4.0.1及4.2的GCC。

LLVM引发一些人来为许多语言开发新的编译器，其中一个最引发注意的就是Clang，它是一个新的编译器，同时支持C、Objective-C以及C++。主要来自苹果电脑的支持，Clang的目的用以取代GCC系统底下的C/Objective-C编译器，在当代的系统，他较为容易与集成开发环境（IDE）集成，而且对于线程有更好的支持。Clang从3.8版本开始已经支持OpenMP[17]。GCC底下Objective-C的开发已经停滞，而苹果电脑已经将其支持移至其他的维护分支。

Utrecht Haskell编译器可以产生LLVM使用的代码，但它还在初期的开发阶段，并且在许多案例，展示他比起C代码产生器拥有更好的效率[18] Glasgow Haskell Compiler（GHC）拥有一个可以运作的LLVM后端，程序执行性能对比起原先的编译器可以达到30%的加速，它仅比一个由GHC所实现，并拥有多项优化技术的编译器还慢[19]

还有其他的组件在不同的开发阶段，包含（但不限于）Java bytecode[20]、通用中间语言（CIL）、MacRuby（实现Ruby 1.9）、Standard ML及新的graph coloring寄存器配置. [来源请求]

中间表示

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LLVM的核心是中间表示（Intermediate Representation，IR），一种类似汇编的底层语言。IR是一种强类型的精简指令集（Reduced Instruction Set Computing，RISC），并对目标指令集进行了抽象。例如，目标指令集的函数调用惯例被抽象为call和ret指令加上明确的参数。另外，IR采用无限个数的暂存器，使用如%0，%1等形式表达。LLVM支持三种表达形式：人类可读的汇编，在C++中对象形式和序列化后的bitcode形式。

例如，一个简单的Hello World程序可以表达为如下的汇编形式。对IR语言的完整描述请参考LLVM官方文档[21]： 

@.str = internal constant [14 x i8] c"hello, world\0A\00"

declare i32 @printf(i8*, ...)

define i32 @main(i32 %argc, i8** %argv) nounwind {
entry:
    %tmp1 = getelementptr [14 x i8], [14 x i8]* @.str, i32 0, i32 0
    %tmp2 = call i32 (i8*, ...) @printf( i8* %tmp1 ) nounwind
    ret i32 0
}

后端

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至11.0版本，LLVM已经支持多种后端指令集，包括ARM、Qualcomm Hexagon（英语：Qualcomm Hexagon）、MIPS、Nvidia并行指令集（LLVM中称为NVPTX），PowerPC、AMD TeraScale[22]、AMDGPU（英语：AMDGPU）、SPARC、SystemZ、RISC-V、WebAssembly、x86、x86-64和XCore。

LLVM包含一个专门的MC模块，将机器指令在文字形式和机器码形式间相互转换。在之前LLVM依靠系统或是平台专门的工具链将汇编翻译为机器码。LLVM机器码的集成汇编器已经支持绝大多数LLVM的目标平台。

链接器

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lld链接器子项目旨在为LLVM开发一个内建的，平台独立的链接器[23]，去除对所有第三方链接器的依赖。在2017年5月，lld已经支持ELF、PE/COFF、 和Mach-O。在lld支持不完全的情况下，用户可以使用其他项目，如GNU ld链接器。 lld支持链接时优化。当LLVM链接时优化被启用时，LLVM可以输出bitcode而不是本机代码，而本机代码生成由链接器优化处理。

C++标准库

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LLVM项目包含一个C++标准库的实现（libcxx），具有MIT许可证和UIUC许可证的双许可协议。[24]

另见

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参考文献

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  1. ^ LLVM 19.1.3. 2024年10月30日 [2024年10月30日]. 
  2. ^ Reedy, Geoff. Compiling Scala to LLVM. St. Louis, Missouri, United States. 2012-09-24 [2013-02-19]. （原始内容存档于2020-11-29）. 
  3. ^ Mono LLVM, [2013-03-10], （原始内容存档于2020-06-15） 
  4. ^ Adam Treat, mkspecs and patches for LLVM compile of Qt4 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  5. ^ 存档副本. [2011-12-22]. （原始内容存档于2012-01-17）. 
  6. ^ Chris Lattner discusses the name LLVM. [22 December 2011]. （原始内容存档于2012年1月12日）. 
  7. ^ ACM Awards. ACM. [2013-04-28]. （原始内容存档于2012-04-02）. 
  8. ^ LLVM 9.0.0 License. [2020-11-14]. （原始内容存档于2020-11-11）. 
  9. ^ Migration Proposal. [2020-11-14]. （原始内容存档于2020-11-25）. 
  10. ^ LLVM Language Reference Manual. [16 April 2012]. （原始内容存档于2012-06-11）. 
  11. ^ Chris Lattner. A cool use of LLVM at Apple: the OpenGL stack. LLVMdev mailing list. 15 August 2006 [26 October 2008]. （原始内容存档于2006年11月4日）. 
  12. ^ Michael Larabel, "GNOME Shell Works Without GPU Driver Support" （页面存档备份，存于互联网档案馆）, phoronix, 6 November 2011
  13. ^ V. Makarov. SPEC2000: Comparison of LLVM-2.9 and GCC4.6.1 on x86. [3 October 2011]. （原始内容存档于2020-08-03）. 
  14. ^ V. Makarov. SPEC2000: Comparison of LLVM-2.9 and GCC4.6.1 on x86_64. [3 October 2011]. （原始内容存档于2020-08-03）. 
  15. ^ Michael Larabel. LLVM/Clang 3.2 Compiler Competing With GCC. 27 December 2012 [31 March 2013]. （原始内容存档于2020-11-30）. 
  16. ^ Lattner, Chris; Vikram Adve. Architecture For a Next-Generation GCC. First Annual GCC Developers' Summit. May 2003 [6 September 2009]. （原始内容存档于2020-07-07）. 
  17. ^ Clang 3.8 Release Notes. [August 24, 2016]. （原始内容存档于2016-10-31）. 
  18. ^ Compiling Haskell To LLVM (PDF). [26 June 2008]. （原始内容存档 (PDF)于2016-08-06）. 
  19. ^ LLVM Project Blog: The Glasgow Haskell Compiler and LLVM. [13 August 2010]. （原始内容存档于2011-06-25）. 
  20. ^ Gaël Thomas; et al. VMKit: a substrate for virtual machines. LLVM.org. [2014-09-17]. （原始内容存档于2020-11-09）.  VMKit 目前的开发已经停滞，并且只支持和 LLVM 3.3 协同编译。对更高版本的 LLVM，需要对原始码做一些修改。VMKit 在编译时需要 LLVM 原始码中的lib, include。
  21. ^ llvm.org/docs/LangRef.html.
  22. ^ Stellard, Tom. [LLVMdev] RFC: R600, a new backend for AMD GPUs. llvm-dev (邮件列表). March 26, 2012 [2019-02-18]. （原始内容存档于2020-12-01）. 
  23. ^ lld - The LLVM Linker. The LLVM Project. [May 10, 2017]. （原始内容存档于2020-12-29）. 
  24. ^ "libc++" C++ Standard Library. [2020-09-26]. （原始内容存档于2017-04-29）. 

外部链接

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