编译器简介

编译器只是一个翻译其他程序的程序。传统编译器将源代码转换为您的计算机能够理解的可执行机器码。(一些编译器将源代码翻译成另一种编程语言。这些编译器称为源到源翻译器或转换程序。)。LLVM是一个广泛使用的编译器项目，由许多模块化的编译器工具组成。

前端将源代码转换为中间表示(IR)*。clang是LLVM用于C语言家族的前端。

优化器分析IR并将其转换为更有效的形式。OPT是LLVM优化器工具。

后端通过将IR映射到目标硬件指令集来生成机器码。LLC是LLVM后端工具。

*LLVM IR是一种类似于汇编的低级语言。但是，它抽象了特定于硬件的信息。

下面是一个简单的C程序，它打印“Hello，Compiler！”转到STDOUT。C语法是人类可读的，但是我的计算机不知道如何处理它。我将演练三个编译阶段，使该程序成为机器可执行的。

//Compile_me.c//向编译器波形。这个世界可以等待。#include<；stdio.h>；int main(){printf("；Hello，编译器！\n"；)；返回0；}。

正如我在上面提到的，clang是LLVM用于C语言家族的前端。Clang由C预处理器、词法分析器、解析器、语义分析器和IR生成器组成。

C预处理器在开始转换到IR之前修改源代码。预处理器处理包括外部文件，如上面的#include<；stdio.h>；。它将用stdio.h C标准库文件的全部内容替换该行，其中将包括printf函数的声明。

词法分析器(或扫描器或标记器)将字符串转换为单词字符串。每个单词或标记被分配给五个语法类别之一：标点符号、关键字、标识符、字面或注释。

解析器确定词流是否由源语言中的有效句子组成。在分析令牌流的语法之后，它输出抽象语法树(AST)。Clang AST中的节点表示声明、语句和类型。

语义分析器遍历AST，确定代码语句是否具有有效含义。此阶段检查类型错误。如果Compile_me.c中的main函数返回"；ZERO"；而不是0，语义分析器将抛出错误，因为"；ZERO"；不是INT类型。

；[email protected]=私有UNNAME_ADDR常量[18 x i8]c"；Hello，编译器！\0A\00"；，Align 1定义I32@Main(){%1=alloca I32，Align 4；<；-堆栈存储上分配的内存I32 0，I32*%1，ALIGN 4%2=调用I32(i8*，.)@printf(i8*getelementptr inbound([18 x i8]，[18 x i8]*@.str，I32 0，I32 0))ret I32 0}声明I32@printf(i8*，.)。

优化器的工作是基于对程序运行时行为的理解来提高代码效率。优化器将IR作为输入，并生成改进的IR作为输出。LLVM的优化器工具opt将使用标志-O2(大写o，2)优化处理器速度，并使用标志-Os(大写o，s)优化大小。

看看我们的前端在上面生成的LLVM IR代码与运行结果之间的差异：

；Optimized.ll@str=private unnamed_addr常量[17 x i8]c"；Hello，编译器！\00"；定义I32@main(){%put=尾部调用I32@put(i8*getelementptr inbound([17 x i8]，[17 x i8]*@str，i64 0，i64 0))ret I32 0}声明I32@put(i8*nocatch只读)

在优化版本中，main不在堆栈上分配内存，因为它不使用任何内存。优化后的代码还调用put而不是printf，因为没有使用printf的任何格式化功能。

当然，优化器不仅仅知道何时使用put代替printf。优化器还会展开循环并内联简单计算的结果。考虑下面的程序，它将两个整数相加并打印结果。

//add.c#include<；stdio.h>；int main(){int a=5，b=10，c=a+b；printf("；%i+%i=%i\n"；，a，b，c)；}。

@.str=私有UNNAME_ADDR常量[14 x i8]c"；%i+%i=%i\0A\00"；，Align 1定义I32@main(){%1=alloca I32，Align 4；<；-为变量a分配堆栈空间%2=Alloca I32，Align 4；<；-为var b%3分配堆栈空间%3=alloca I32，Align 4；<；-为内存位置%1的变量c存储I32 5、I32*%1、Align 4；分配堆栈空间；-在内存位置%1的存储5存储I32 10、I32*%2、Align 4；<；-在内存位置%2的存储10%4=加载I32、I32*%1、Align 4；<；-将内存地址%1处的值加载到寄存器%4%5=加载I32、I32*%2、Align 4；<；-将内存地址%2处的值加载到寄存器%5%6=ADD NSW I32%4，%5；<；-将寄存器%4和%5中的值相加。将结果放入寄存器%6存储I32%6，I32*%3，ALIGN 4；<；-将寄存器%6的值加载到内存地址%3%7=加载I32，I32*%1，ALIGN 4；<；-将内存地址%1处的值加载到寄存器%7%8=加载I32，I32*%2，ALIGN 4；<；-将内存地址%2处的值加载到寄存器%8%9=加载I32，I32*%3，ALIGN 4；<；-将内存地址%3处的值加载到寄存器%9%10=调用I32(i8*，.)@printf(i8*getelementptr inbound([14 x i8]，[14 x i8]*@.str，I32 0，I32 0)，I32%7，I32%8，I32%9)ret I32 0}声明I32@printf(i8*，.)。

@.str=私有unname_addr常量[14 x i8]c"；%i+%i=%i\0A\00"；，Align 1定义I32@Main(){%1=Tail调用I32(i8*，.)@printf(i8*getelementptr inbound([14 x i8]，[14 x i8]*@.str，i64 0，i64 0)，I32 5，I32 10，I32 15)ret I32 0}声明I32@printf(i8*nocatch readonly，.)。

我们优化的主函数实质上是未优化版本的第16和17行，变量值是内联的。OPT计算加法是因为所有变量都是常量。很酷，是吧？

LLVM的后端工具是LLC。它分三个阶段从LLVM IR输入生成机器码：

指令选择是将IR指令映射到目标机器的指令集。此步骤使用虚拟寄存器的无限命名空间。

寄存器分配是将虚拟寄存器映射到目标体系结构上的实际寄存器。我的CPU采用x86架构，最多只能有16个寄存器。但是，编译器将使用尽可能少的寄存器。

指令调度是对操作的重新排序，以反映目标机器的性能约束。

_main：PUSQ%RBP movq%rsp，%RBP leaq L_str(%rip)，%RDI callq_put xorl%eax，%eax popq%rbp retqL_str：.asciz"；您好，编译器！"；

这个程序是x86汇编语言，这是我的计算机所说语言的人类可读语法。终于有人理解我了，🙌