LLVM

LLVM
Тип	компилятор
Разработчики	Крис Латтнер[вд], Craig Topper[вд][3] и Simon Pilgrim[вд][3]
Написана на	C++[4], Си[5] и язык ассемблера[5]
Операционные системы	кроссплатформенность, NetBSD, FreeBSD, OpenBSD, Linux, Миникс 3, Windows и Illumos
Первый выпуск	24 октября 2003[1]
Последняя версия	19.1.3 (30 октября 2024)[2]
Репозиторий	github.com/llvm/llvm-pro…
Лицензия	открытая лицензия Иллинойсского университета[вд][6] и Apache License v2.0 with LLVM Exceptions[вд][7]
Сайт	llvm.org (англ.)
Медиафайлы на Викискладе

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.

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, Zig.

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]).

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.

В LLVM включена обёртка API для OCaml.

LLVM поддерживает работу на следующих платформах:

LLVM имеет частичную поддержку следующих платформ:

Система типов поддерживает суперпозицию/вложенность, то есть можно использовать многомерные массивы, массивы структур, указатели на структуры и функции и т. д.

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).

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.

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.

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

• 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 ноября 2012). Дата обращения: 15 мая 2015., Часть 2
• Chris Lattner. The Design of LLVM  (неопр.). Dr. Dobb’s Journal (29 мая 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 (1 сентября 2009). Дата обращения: 15 мая 2015.

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