Low Level Virtual Machine

LLVM

Тип	Компилятор
Разработчик	LLVM Developer Group
Написана на	C++
Операционная система	Cross-platform
Первый выпуск	2000
Последняя версия	3.1 (22 мая 2012)
Лицензия	University of Illinois/NCSA Open Source License
Сайт	llvm.org

Low Level Virtual Machine (LLVM) — универсальная система анализа, трансформации и оптимизации программ, реализующая виртуальную машину с RISC-подобными инструкциями. Может использоваться как оптимизирующий компилятор этого байткода в машинный код для различных архитектур либо для его интерпретации и JIT-компиляции (для некоторых платформ).

LLVM (при помощи различных фронтендов, в том числе сторонних) позволяет компилировать программы написанные на языках С, C++, Objective-C, Fortran, Ada, Haskell, Java, Python, Ruby, JavaScript, GLSL. В рамках проекта LLVM был разработан фронтенд Clang для языков C и C++ и версия GCC, использующие llvm в качестве бэкенда. В Glasgow Haskell Compiler также реализована компиляция посредством llvm. Существует множество программ, использующих данную инфраструктуру.

История

История LLVM началась в 2000 году в Университете Иллинойса, а теперь LLVM используют такие гиганты индустрии как Adobe, Apple и Google. В частности, на LLVM основана подсистема OpenGL в Mac OS X 10.5, а iPhone SDK использует фронтенд GCC с бэкэндом на LLVM. Apple и Google являются одними из основных спонсоров проекта, а вдохновитель LLVM — Крис Латтнер — теперь работает в Apple.

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 3.1 поддерживает статическую генерацию кода для x86, x86-64, ARM, PowerPC, SPARC, MIPS, Qualcomm Hexagon. JIT (генерация машинного кода во время исполнения) поддержан для архитектур x86, x86_64, PowerPC, MIPS и частично ARM (только целочисленные, без NEON и Thumb) ^[1]

LLVM написана на C++ и портирована на большинство nix-систем и Windows. Система имеет модульную структуру, отдельные ее модули могут быть встроены в различные программные комплексы, она может расширяться дополнительными алгоритмами трансформации и кодогенераторами для новых аппаратных платформ.

В LLVM включена обертка API для OCaml.

Платформы

LLVM поддерживает работу на следующих платформах:

Операционная система	Архитектура	Компилятор
FreeBSD	x86	GCC, Clang
FreeBSD	AMD64	GCC, Clang
Linux	AMD64	GCC, Clang
Linux	x86	GCC, Clang
Mac OS X	PowerPC	GCC
Mac OS X	x86	GCC
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
Windows	x86	MSVC
AIX	PowerPC	GCC
Linux	PowerPC	GCC

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-битное 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 рекурсивна, 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 всевозможные 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 инструкция bitcast, которая приведёт всё ко всему, но за результат вы отвечаете сами.

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 одноименной системной функции и выделяет память на куче, возвращая значение — указатель определенного 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 выполняется с помощью инструкции 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

1. ↑ The LLVM Target-Independent Code Generator раздел Target Feature Matrix

Ссылки

• LLVM
• SAFECode
• libJIT Linear Scan Register Allocator
• 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

Смотреть также

• Сравнение областей применения различных виртуальных машин  (англ.). Архивировано из первоисточника 14 февраля 2012.
• Библиотека для компиляции на лету libjit  (англ.).(недоступная ссылка — история)