LLVM
LLVM (ранее Low Level Virtual Machine[8]) — проект программной инфраструктуры для создания компиляторов и сопутствующих им утилит. Состоит из набора компиляторов из языков высокого уровня (так называемых «фронтендов»), системы оптимизации, интерпретации и компиляции в машинный код. В основе инфраструктуры используется RISC-подобная платформонезависимая система кодирования машинных инструкций (байткод LLVM IR), которая представляет собой высокоуровневый ассемблер, с которым работают различные преобразования.
LLVM | |
---|---|
Тип | компилятор |
Разработчик | Викрам Адве[d] и Крис Латтнер[d] |
Написана на | C++[1], Си[2] и Язык ассемблера[2] |
Операционная система | кроссплатформенность |
Первый выпуск | 24 октября 2003[3] |
Последняя версия | |
Тестовая версия | |
Лицензия | открытая лицензия Иллинойсского университета[d][6] и Apache License 2.0[7] |
Сайт | llvm.org (англ.) |
![]() |
Написан на C++, обеспечивает оптимизации на этапах компиляции, компоновки и исполнения. Изначально в проекте были реализованы компиляторы для языков Си и C++ при помощи фронтенда Clang, позже появились фронтенды для множества языков, в том числе: ActionScript, Ада, C#[9], Common Lisp, Crystal, CUDA, D, Delphi, Dylan, Fortran, Graphical G Programming Language, Halide, Haskell, Java (байткод), JavaScript, Julia, Kotlin, Lua, Objective-C, OpenGL Shading Language, Ruby, Rust, Scala, Swift, Xojo.
LLVM может создавать машинный код для множества архитектур, в том числе ARM, x86, x86-64, PowerPC, MIPS, SPARC, RISC-V и других (включая GPU от Nvidia и AMD).
Некоторые проекты имеют собственные LLVM-компиляторы (например LLVM-версия GCC), другие используют инфраструктуру LLVM[10], например таков Glasgow Haskell Compiler.
Разработка начата в 2000 году в Университете Иллинойса. К середине 2010-х годов LLVM получил широкое распространение в индустрии: использовался, в том числе, в компаниях Adobe, Apple и Google. В частности, на LLVM основана подсистема OpenGL в Mac OS X 10.5, а iPhone SDK использует препроцессор (фронтенд) GCC с бэкэндом на LLVM. Apple и Google являются одними из основных спонсоров проекта, а один из основных разработчиков — Крис Латтнер — 11 лет проработал в Apple (с 2017 года — в Tesla Motors[11], с 2020 года — в разработчике процессоров и микроконтроллеров на архитектуре RISC-V SiFive[12]).
Особенности
В основе LLVM лежит промежуточное представление кода (Intermediate Representation, IR), над которым можно производить трансформации во время компиляции, компоновки и выполнения. Из этого представления генерируется оптимизированный машинный код для целого ряда платформ, как статически, так и динамически (JIT-компиляция). LLVM 9.0.0 поддерживает статическую генерацию кода для x86, x86-64, ARM, PowerPC, SPARC, MIPS, RISC-V, Qualcomm Hexagon, NVPTX, SystemZ, Xcore. JIT-компиляция (генерация машинного кода во время исполнения) поддержана для архитектур x86, x86_64, PowerPC, MIPS, SystemZ, и частично ARM[13].
LLVM написана на C++ и портирована на большинство Unix-подобных систем и Windows. Система имеет модульную структуру, отдельные её модули могут быть встроены в различные программные комплексы, она может расширяться дополнительными алгоритмами трансформации и кодогенераторами для новых аппаратных платформ.
Платформы
LLVM поддерживает работу на следующих платформах:
LLVM имеет частичную поддержку следующих платформ:
Операционная система | Архитектура | Компилятор |
---|---|---|
AIX | PowerPC | GCC |
Linux | PowerPC | GCC |
AmigaOS | m68k, PowerPC | GCC |
Windows | x86 | MSVC |
Типы данных
Простые типы
Целые числа произвольной разрядности | iразрядность |
|
| ||
Числа с плавающей точкой | float, double, типы, специфичные для конкретной платформы (например, x86_fp80) | |
Пустое значение | void |
Производные типы
Указатели | тип* | i32* — указатель на 32-разрядное целое |
Массивы | [число элементов x тип] |
|
Структуры | { i32, i32, double } | |
Вектор — специальный тип для упрощения SIMD-операций.
Вектор состоит из 2n значений примитивного типа — целого или с плавающей точкой. |
< число элементов x тип > | < 4 x float > — вектор XMM |
Функции |
|
Система типов поддерживает суперпозицию/вложенность, то есть можно использовать многомерные массивы, массивы структур, указатели на структуры и функции и т. д.
Операции
Большинство инструкций в LLVM принимают два аргумента (операнда) и возвращают одно значение (трёхадресный код). Значения определяются текстовым идентификатором. Локальные значения обозначаются префиксом %
, а глобальные — @
. Локальные значения также называют регистрами, а LLVM — виртуальной машиной с бесконечным числом регистров.
Пример:
%sum = add i32 %n, 5 %diff = sub double %a, %b %z = add <4 x float> %v1, %v2 ; поэлементное сложение %cond = icmp eq %x, %y ; Сравнение целых чисел. Результат имеет тип i1. %success = call i32 @puts(i8* %str)
Тип операндов всегда указывается явно, и однозначно определяет тип результата. Операнды арифметических инструкций должны иметь одинаковый тип, но сами инструкции «перегружены» для любых числовых типов и векторов.
LLVM поддерживает полный набор арифметических операций, побитовых логических операций и операций сдвига, а также специальные инструкции для работы с векторами.
LLVM IR строго типизирован, поэтому существуют операции приведения типов, которые явно кодируются специальными инструкциями. Набор из 9 инструкций покрывает все возможные приведения между различными числовыми типами: целыми и с плавающей точкой, со знаком и без, различной разрядности и пр. Кроме этого есть инструкции преобразования между целыми и указателями, а также универсальная инструкция для приведения типов bitcast
(ответственность за корректность таких преобразований возлагается на программиста).
Память
Помимо значений-регистров, в LLVM есть и работа с памятью. Значения в памяти адресуются типизированными указателями. Обратиться к памяти можно с помощью двух инструкций: load
и store
.
Например:
%x = load i32* %x.ptr ; загрузить значение типа i32 по указателю %x.ptr %tmp = add i32 %x, 5 ; прибавить 5 store i32 %tmp, i32* %x.ptr ; и положить обратно
Инструкция malloc
транслируется в вызов одноимённой системной функции и выделяет память на куче, возвращая значение — указатель определённого типа. В паре с ней идёт инструкция free
.
%struct.ptr = malloc { double, double } %string = malloc i8, i32 %length %array = malloc [16 x i32] free i8* %string
Инструкция alloca
выделяет память на стеке.
%x.ptr = alloca double ; %x.ptr имеет тип double* %array = alloca float, i32 8 ; %array имеет тип float*, а не [8 x float]!
Память, выделенная alloca
, автоматически освобождается при выходе из функции при помощи инструкций ret
или unwind
.
Операции с указателями
Для вычисления адресов элементов массивов, структур и т. д. с правильной типизацией используется инструкция getelementptr
.
%array = alloca i32, i32 %size
%ptr = getelementptr i32* %array, i32 %index ; значение типа i32*
getelementptr
только вычисляет адрес, но не обращается к памяти. Инструкция принимает произвольное количество индексов и может разыменовывать структуры любой вложенности.
Также существует инструкции extractvalue
и insertvalue
. Они отличаются от getelementptr
тем, что принимают не указатель на агрегатный тип данных (массив или структуру), а само значение такого типа. extractvalue
возвращает соответственное значение подэлемента, а insertvalue
порождает новое значение агрегатного типа.
%n = extractvalue { i32, [4 x i8*] } %s, 0 %tmp = add i32 %n, 1 %s.1 = insertvalue { i32, [4 x i8*] } %s, i32 %tmp, 0
Примечания
- The llvm Open Source Project on Open Hub: Languages Page — 2006.
- The llvm Open Source Project on Open Hub: Languages Page (англ.)
- Латтнер К. The LLVM 1.0 Release is finally available!
- https://github.com/llvm/llvm-project/releases/tag/llvmorg-13.0.1
- https://github.com/llvm/llvm-project/releases/tag/llvmorg-13.0.1-rc3
- License (англ.)
- http://releases.llvm.org/9.0.0/LICENSE.TXT — 2019.
- LLVMdev: The name of LLVM, Chris Lattner (Apple), 2011-12-21 «„LLVM“ is officially no longer an acronym. The acronym it once expanded too was confusing, and inappropriate almost from day 1.»
- LLILC .
- Projects built with LLVM (англ.). llvm.
- Welcome Chris Lattner | Tesla
- Основатель LLVM присоединился к SiFive
- The LLVM Target-Independent Code Generator раздел Target Feature Matrix (англ.)
Литература
- Андрей Боровский. LLVM: Генератор быстрого кода // Linux Format. — Вып. 2010, № 2 (128). — С. 76—79.
- Amy Brown and Greg Wilson (eds.). Chapter 11. LLVM (Chris Lattner) // The Architecture of Open Source Applications. — 2011. — P. 155—170. — 432 p. — ISBN 978-1-257-63801-7. (перевод)
- Арпан Сен. Создание действующего компилятора с помощью инфраструктуры LLVM. Часть 1 . IBM developerWorks (12.11.2012). Дата обращения: 15 мая 2015., Часть 2
- Chris Lattner. The Design of LLVM . Dr. Dobb’s Journal (May 29, 2012). Дата обращения: 15 мая 2015.
- John Siracusa. Mac OS X 10.6 Snow Leopard: the Ars Technica review → LLVM and Clang . Ars Technica (Sep 1, 2009). Дата обращения: 15 мая 2015.
Ссылки
- llvm.org — официальный сайт LLVM
- SAFECode
- libJIT Linear Scan Register Allocator