LLVM

LLVM

LLVM (ранее Low Level Virtual Machine) — 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.

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#, 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, 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, с 2020 года — в разработчике процессоров и микроконтроллеров на архитектуре RISC-V SiFive).

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.

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.

В LLVM включена обёртка API для OCaml.

Платформы

LLVM поддерживает работу на следующих платформах:

Операционная система	Архитектура	Компилятор
Linux	x86/AMD64	GCC, Clang
FreeBSD	x86/AMD64	GCC, Clang
OpenBSD	x86/AMD64	GCC, Clang
Mac OS X	PowerPC	GCC
Mac OS X	x86/AMD64	GCC, Clang
Solaris	UltraSPARC	GCC
Cygwin/Win32	x86	GCC 3.4.X, Binutils 2.15
MinGW/Win32	x86	GCC 3.4.X, Binutils 2.15

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	i1 — булево значение — 0 или 1 i32 — 32-разрядное целое i17 i256
Генерация машинного кода для типов очень большой разрядности не поддерживается. Но для промежуточного представления никаких ограничений нет. Числа считаются представленными в дополнительном коде. Различий между знаковыми и беззнаковыми целыми на уровне типов не делается: в тех случаях, когда это имеет значение, с ними работают разные инструкции.
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]	[10 x i32] [8 x double]
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		i32 (i32, i32) float ({ float, float }, { float, float })

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 принимает два аргумента (операнда) и возвращает 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 в 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

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 (неопр.). IBM developerWorks (12.11.2012). Дата обращения: 15 мая 2015., Часть 2
• Chris Lattner. The Design of LLVM (неопр.). 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 (неопр.). Ars Technica (Sep 1, 2009). Дата обращения: 15 мая 2015.

Ссылки

• llvm.org — официальный сайт LLVM
• SAFECode
• libJIT Linear Scan Register Allocator