LLVM介绍（Low Level Virtual Machine）全面编译器框架（llvm与gcc、clang区别）

LLVM介绍

LLVM（Low Level Virtual Machine）是一种编译器基础设施，提供了一套富有表达力的中间表示(IR)及丰富的编译策略。它设计用于优化在编译时、链接时、运行时以及“闲置”时间的任意程序语言。

LLVM历史与背景

LLVM项目起源于2000年，当时在伊利诺伊大学香槟分校的研究项目。最初的目标是研究静态和动态编译技术，为各种程序语言设计和实现一个优秀的编译器。自那时起，LLVM已经发展成为一个全面的编译器框架，包含了许多强大的特性，并被广泛应用在各类软件开发中。

LLVM设计哲学

LLVM的设计理念在于提供低耦合但具有高度模块化的编译器组件。这些组件可以自由组合，满足不同的需求，包括传统的静态编译，JIT编译（即时编译技术 ），以及其他各种形式的代码转换和操作。

LLVM的核心部分是一个中间表示(IR)，一个类型化的低级别编程语言，既可用于静态也可用于动态编译优化。

define i32 @sum(i32 %a, i32 %b) {
  %1 = add i32 %a, %b
  ret i32 %1
}

这个简单的LLVM IR示例定义了一个函数sum，它接受两个32位整数作为输入，并返回它们的和。此处，add是一种IR指令，表示对两个整数值进行加法运算。

LLVM架构

LLVM项目包含多个库，它们可以组合以创建完整的编译器。主要部分包括：

• 前端：将源代码（如C，C++，Rust等）转换为LLVM IR。
• 优化器：在LLVM IR上应用各种编译时优化。
• 后端：将优化过的LLVM IR转换为目标机器代码。

以下是一个高级概述，描述了如何使用Clang（LLVM的C/C++/Objective-C编译器前端）将C源代码编译为可执行文件的过程。

clang foo.c -S -emit-llvm -o -

这个命令会生成foo.c的LLVM IR，并打印到控制台。

LLVM核心技术点解析

静态单赋值形式（SSA）

LLVM IR是静态单赋值形式(SSA)，这意味着每个变量只被赋值一次。这样做有助于许多编译时优化，如常数折叠，剪枝，循环不变式提升等。

到处都是优化

LLVM在多个阶段进行优化。一开始在前端生成IR时，就已经使用了诸如语法糖消除，类型检查等优化。然后在中间阶段，对IR进行各种转换和优化，如删除死代码，简化控制流等。最后在后端阶段，针对目标机器进行底层优化，如指令选择，寄存器分配等。

JIT编译

LLVM支持即时编译（JIT），这意味着可以在运行时动态生成和优化代码。JIT编译在许多场景下非常有用，如动态语言，交互式环境，以及需要适应硬件或数据的应用。

llvm与gcc、clang区别

GCC、Clang和LLVM是编程语言的编译器，它们有各自的特点和区别。

1. GCC（GNU Compiler Collection）: 这是最早并且使用最广泛的编译器之一。GCC可以支持多种语言，包括C、C++、Objective-C、Fortran、Ada、Go等。GCC的优势在于其成熟性、稳定性和跨平台能力。然而，GCC的一些设计决策（例如其插件API和整体架构）使得对其进行修改和扩展比较困难。

2. LLVM（Low Level Virtual Machine）: 这是一个编译器基础设施项目，主要包括一系列模块化的编译器组件和工具链，以使编译和优化过程在编译时、链接时和运行时更有效率。LLVM提供了一种中间表示（Intermediate Representation，IR），这是一种低级别的编程语言，用于在编译和执行过程中进行分析和转换。LLVM项目还包含一些其他工具，如链接器和调试器。LLVM的设计使得它易于用于新的编译器和工具链的开发，但也可能需要更多的资源来实现。

3. Clang: 这是LLVM项目的一部分，主要是一个C、C++、Objective-C和Objective-C++编译器。Clang的目标是提供与GCC兼容的编译环境，同时在错误报告（提供更详细的错误和警告信息）、编译速度和内存使用方面优于GCC。Clang也比GCC更易于理解和扩展，这使得它成为很多新的编程语言和工具的首选。

总结起来，GCC是一个成熟、稳定并广泛支持各种语言的编译器；LLVM是一套提供了更灵活性和效率的编译器基础设施；而Clang则是基于LLVM，专注于C系列语言，并在用户体验方面有所优化的编译器。

结论

LLVM是一个强大且灵活的编译器框架，适合各种编程语言和环境。无论你是要构建新的编程语言，还是要提高现有语言的性能，甚至要开发新的编译技术，LLVM都是一个很好的起点。

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