LLVM的概述及自定义Xcode编译插件

LLVM是什么？

官方如是说：The LLVM Project is a collection of modular and reusable compiler and toolchain technologies.
翻译过来就是：LLVM项目是模块化、可重用的编译器以及工具链技术的集合。
传统编译器的架构如下：


传统编译器的架构.png

Frontend:前端，主要作用是词法分析、语法分析、语义分析、生成中间代码；
Optimizer:优化器，主要作用是中间代码优化；
Backend:后端，主要作用是生成机器码。
而LLVM的架构如下：


LLVM的架构.png

主要有以下特点：
1、不同的前端后端使用统一的中间代码LLVM Intermediate Representation (LLVM IR)；
2、如果需要支持一种新的编程语言，那么只需要实现一个新的前端；
3、如果需要支持一种新的硬件设备，那么只需要实现一个新的后端；

4、优化阶段是一个通用的阶段，它针对的是统一的LLVM IR，不论是支持新的编程语言，还是支持新的硬件设备，都不需要对优化阶段做修改；
5、相比之下，GCC的前端和后端没分得太开，前端后端耦合在了一起。所以GCC为了支持一门新的语言，或者为了支持一个新的目标平台，就 变得特别困难；
6、LLVM现在被作为实现各种静态和运行时编译语言的通用基础结构(GCC家族、Java、.NET、Python、Ruby、Scheme、Haskell、D等)。

与clang的关系：

  • clang的概述：LLVM项目的一个子项目，基于LLVM架构的C/C++/Objective-C编译器前端。
  • clang的特点（相比于GCC，Clang具有如下优点）：
    1、编译速度快:在某些平台上，Clang的编译速度显著的快过GCC(Debug模式下编译OC速度比GGC快3倍)；
    2、占用内存小:Clang生成的AST所占用的内存是GCC的五分之一左右；
    3、模块化设计:Clang采用基于库的模块化设计，易于 IDE 集成及其他用途的重用；
    4、诊断信息可读性强:在编译过程中，Clang 创建并保留了大量详细的元数据 (metadata)，有利于调试和错误报告；
    5、设计清晰简单，容易理解，易于扩展增强。

  • clang与LLVM的关系：


    clang与LLVM的关系.png

    备注：广义的LLVM是指整个LLVM架构；狭义的LLVM是指LLVM后端(代码优化、目标代码生成等)。

编译的过程：

  • 命令行查看编译的过程:$ clang -ccc-print-phases main.m
0: input, "main.m", objective-c //编译源文件
1: preprocessor, {0}, objective-c-cpp-output //预处理，处理一些预处理指令( 比如#define、#ifdef,#else,#endif等)并将预处理后的代码进行符号化处理，以便下一步进行词法分析和语义分析
2: compiler, {1}, ir //词法分析、语义分析等操作后生成中间文件ir（类似于汇编语言）
3: backend, {2}, assembler //优化中间文件输出的汇编文件（将一些不合适且消耗内存的代码进行优化）
4: assembler, {3}, object //生成目标文件，汇编转为.o文件
5: linker, {4}, image //链接动态库
6: bind-arch, "x86_64", {5}, image //生成对应平台(x86_64)的机器码（Match-o）

  • 查看preprocessor(预处理)的结果:$ clang -E main.m

    源码：
    源码.png
    预处理后：
    预处理后.png
  • 词法分析，生成Token: $ clang -fmodules -E -Xclang -dump-tokens main.m
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        int a,b = 4'        Loc=<main.m:11:1>
int 'int'    [StartOfLine]  Loc=<main.m:13:1>
identifier 'main'    [LeadingSpace] Loc=<main.m:13:5>
l_paren '('     Loc=<main.m:13:9>
int 'int'       Loc=<main.m:13:10>
identifier 'argc'    [LeadingSpace] Loc=<main.m:13:14>
comma ','       Loc=<main.m:13:18>
const 'const'    [LeadingSpace] Loc=<main.m:13:20>
char 'char'  [LeadingSpace] Loc=<main.m:13:26>
star '*'     [LeadingSpace] Loc=<main.m:13:31>
identifier 'argv'    [LeadingSpace] Loc=<main.m:13:33>
l_square '['        Loc=<main.m:13:37>
r_square ']'        Loc=<main.m:13:38>
r_paren ')'     Loc=<main.m:13:39>
l_brace '{'  [LeadingSpace] Loc=<main.m:13:41>
at '@'   [StartOfLine] [LeadingSpace]   Loc=<main.m:14:5>
identifier 'autoreleasepool'        Loc=<main.m:14:6>
l_brace '{'  [LeadingSpace] Loc=<main.m:14:22>
int 'int'    [StartOfLine] [LeadingSpace]   Loc=<main.m:16:9>
identifier 'a'   [LeadingSpace] Loc=<main.m:16:13>
comma ','       Loc=<main.m:16:14>
identifier 'b'      Loc=<main.m:16:15>
equal '='    [LeadingSpace] Loc=<main.m:16:17>
numeric_constant '4'     [LeadingSpace] Loc=<main.m:16:19>
semi ';'        Loc=<main.m:16:20>
identifier 'a'   [StartOfLine] [LeadingSpace]   Loc=<main.m:17:9>
equal '='    [LeadingSpace] Loc=<main.m:17:11>
identifier 'b'   [LeadingSpace] Loc=<main.m:17:13>
plus '+'     [LeadingSpace] Loc=<main.m:17:15>
numeric_constant '4'     [LeadingSpace] Loc=<main.m:17:17 <Spelling=main.m:9:15>>
semi ';'        Loc=<main.m:17:22>
identifier 'NSLog'   [StartOfLine] [LeadingSpace]   Loc=<main.m:18:9>
l_paren '('     Loc=<main.m:18:14>
at '@'      Loc=<main.m:18:15>
string_literal '"Hello, World!"'        Loc=<main.m:18:16>
r_paren ')'     Loc=<main.m:18:31>
semi ';'        Loc=<main.m:18:32>
r_brace '}'  [StartOfLine] [LeadingSpace]   Loc=<main.m:19:5>
return 'return'  [StartOfLine] [LeadingSpace]   Loc=<main.m:20:5>
numeric_constant '0'     [LeadingSpace] Loc=<main.m:20:12>
semi ';'        Loc=<main.m:20:13>
r_brace '}'  [StartOfLine]  Loc=<main.m:21:1>
eof ''      Loc=<main.m:21:2>
  • 语法分析，生成语法树(AST，Abstract Syntax Tree)： clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m
TranslationUnitDecl 0x7fa62302c8e8 <<invalid sloc>> <invalid sloc>
|-TypedefDecl 0x7fa62302d180 <<invalid sloc>> <invalid sloc> implicit __int128_t '__int128'
| `-BuiltinType 0x7fa62302ce80 '__int128'
|-TypedefDecl 0x7fa62302d1e8 <<invalid sloc>> <invalid sloc> implicit __uint128_t 'unsigned __int128'
| `-BuiltinType 0x7fa62302cea0 'unsigned __int128'
|-TypedefDecl 0x7fa62302d280 <<invalid sloc>> <invalid sloc> implicit SEL 'SEL *'
| `-PointerType 0x7fa62302d240 'SEL *' imported
|   `-BuiltinType 0x7fa62302d0e0 'SEL'
|-TypedefDecl 0x7fa62302d358 <<invalid sloc>> <invalid sloc> implicit id 'id'
| `-ObjCObjectPointerType 0x7fa62302d300 'id' imported
|   `-ObjCObjectType 0x7fa62302d2d0 'id' imported
|-TypedefDecl 0x7fa62302d438 <<invalid sloc>> <invalid sloc> implicit Class 'Class'
| `-ObjCObjectPointerType 0x7fa62302d3e0 'Class' imported
|   `-ObjCObjectType 0x7fa62302d3b0 'Class' imported
|-ObjCInterfaceDecl 0x7fa62302d488 <<invalid sloc>> <invalid sloc> implicit Protocol
|-TypedefDecl 0x7fa62383ade8 <<invalid sloc>> <invalid sloc> implicit __NSConstantString 'struct __NSConstantString_tag'
| `-RecordType 0x7fa62383ac00 'struct __NSConstantString_tag'
|   `-Record 0x7fa62302d550 '__NSConstantString_tag'
|-TypedefDecl 0x7fa62383ae80 <<invalid sloc>> <invalid sloc> implicit __builtin_ms_va_list 'char *'
| `-PointerType 0x7fa62383ae40 'char *'
|   `-BuiltinType 0x7fa62302c980 'char'
|-TypedefDecl 0x7fa62383b148 <<invalid sloc>> <invalid sloc> implicit __builtin_va_list 'struct __va_list_tag [1]'
| `-ConstantArrayType 0x7fa62383b0f0 'struct __va_list_tag [1]' 1 
|   `-RecordType 0x7fa62383af70 'struct __va_list_tag'
|     `-Record 0x7fa62383aed0 '__va_list_tag'
|-ImportDecl 0x7fa623a0d4f8 <main.m:11:1> col:1 implicit Foundation
|-FunctionDecl 0x7fa623a0d7a8 <line:13:1, line:21:1> line:13:5 main 'int (int, const char **)'
| |-ParmVarDecl 0x7fa623a0d548 <col:10, col:14> col:14 argc 'int'
| |-ParmVarDecl 0x7fa623a0d660 <col:20, col:38> col:33 argv 'const char **':'const char **'
| `-CompoundStmt 0x7fa6230a9f88 <col:41, line:21:1>
|   |-ObjCAutoreleasePoolStmt 0x7fa6230a9f40 <line:14:5, line:19:5>
|   | `-CompoundStmt 0x7fa6230a9f18 <line:14:22, line:19:5>
|   |   |-DeclStmt 0x7fa623a0da08 <line:16:9, col:20>
|   |   | |-VarDecl 0x7fa623a0d8f8 <col:9, col:13> col:13 used a 'int'
|   |   | `-VarDecl 0x7fa623a0d970 <col:9, col:19> col:15 used b 'int' cinit
|   |   |   `-IntegerLiteral 0x7fa623a0d9d0 <col:19> 'int' 4
|   |   |-BinaryOperator 0x7fa623a0db00 <line:17:9, line:9:15> 'int' '='
|   |   | |-DeclRefExpr 0x7fa623a0da20 <line:17:9> 'int' lvalue Var 0x7fa623a0d8f8 'a' 'int'
|   |   | `-BinaryOperator 0x7fa623a0dad8 <col:13, line:9:15> 'int' '+'
|   |   |   |-ImplicitCastExpr 0x7fa623a0dac0 <line:17:13> 'int' <LValueToRValue>
|   |   |   | `-DeclRefExpr 0x7fa623a0da60 <col:13> 'int' lvalue Var 0x7fa623a0d970 'b' 'int'
|   |   |   `-IntegerLiteral 0x7fa623a0daa0 <line:9:15> 'int' 4
|   |   `-CallExpr 0x7fa6230a9ed0 <line:18:9, col:31> 'void'
|   |     |-ImplicitCastExpr 0x7fa6230a9eb8 <col:9> 'void (*)(id, ...)' <FunctionToPointerDecay>
|   |     | `-DeclRefExpr 0x7fa6230a7190 <col:9> 'void (id, ...)' Function 0x7fa623a0db30 'NSLog' 'void (id, ...)'
|   |     `-ImplicitCastExpr 0x7fa6230a9f00 <col:15, col:16> 'id':'id' <BitCast>
|   |       `-ObjCStringLiteral 0x7fa6230a9e38 <col:15, col:16> 'NSString *'
|   |         `-StringLiteral 0x7fa6230a9e00 <col:16> 'char [14]' lvalue "Hello, World!"
|   `-ReturnStmt 0x7fa6230a9f70 <line:20:5, col:12>
|     `-IntegerLiteral 0x7fa6230a9f50 <col:12> 'int' 0
`-<undeserialized declarations>
  • LLVM IR有3种表示形式：
    1、text:便于阅读的文本格式，类似于汇编语言，拓展名.ll，clang -S -emit-llvm main.m
    2、memory:内存格式
    3、bitcode:二进制格式，拓展名.bc，clang -c -emit-llvm main.m
    如下就是.ll文件
define i32 @main(i32, i8**) #0 {
  %3 = alloca i32, align 4
  %4 = alloca i32, align 4
  %5 = alloca i8**, align 8
  %6 = alloca i32, align 4
  %7 = alloca i32, align 4
  store i32 0, i32* %3, align 4
  store i32 %0, i32* %4, align 4
  store i8** %1, i8*** %5, align 8
  %8 = call i8* @objc_autoreleasePoolPush() #2
  store i32 4, i32* %7, align 4
  %9 = load i32, i32* %7, align 4
  %10 = add nsw i32 %9, 4
  store i32 %10, i32* %6, align 4
  notail call void (i8*, ...) @NSLog(i8* bitcast (%struct.__NSConstantString_tag* @_unnamed_cfstring_ to i8*))
  call void @objc_autoreleasePoolPop(i8* %8)
  ret i32 0
}

ir文件的基本语法格式：
1、注释以分号 ; 开头
2、全局标识符以@开头，局部标识符以%开头 p alloca，在当前函数栈帧中分配内存
3、i32，32bit，4个字节的意思
4、align，内存对齐
5、store，写入数据
6、load，读取数据

自定义xcode编译插件

我们知道Xcode苹果官方提供的IDE的编译就是clang，所以我们如果想自定义xcode编译插件，得从LLVM和clang的源码入手，然后编译得到相关版本，替换掉苹果的默认编译库，我们自定义的编译库只能本地用用，当正式发版本的时候，还是要将官方默认的编译库替换回来，因为这里面苹果做了很多优化，除非你自认为自己开发的编译库能比苹果官方更厉害。好了话不多说，看看自定义编译插件流程走起。

准备工具：

  • 下载LLVM源码：
$ git clone https://git.llvm.org/git/llvm.git/；
  • 下载LLVM源码后，cd到llvm/tools文件夹下，下载clang源码，我们就是基于clang进行开发的：
$ git clone https://git.llvm.org/git/clang.git/；
  • 安装cmake和ninja：
$ brew install cmake
$ brew install ninja
  • 在LLVM源码同级目录下新建一个【llvm_build】目录(最终会在【llvm_build】目录下生成【build.ninja】)：
$ cd llvm_build
$ cmake -G Ninja ../llvm -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=LLVM的安装路径
  • 依次执行编译、安装指令
$ ninja
  • 编译完毕后， 【llvm_build】目录大概 21.05 G(仅供参考)
$ ninja install

安装完毕后，安装目录大概 11.92 G(仅供参考)

  • 为了后续方便开发，我们还需要一份Xcode的版本的代码（当然的先建好源码文件，后面有介绍），在llvm同级目录下新建一个【llvm_xcode】目录
$ cd llvm_xcode
$ cmake -G Xcode ../llvm

这过程中可能会报错，请参考：使用cmake生成Xcode的项目
打开生成的Xcode项目

cmake编译生成的Xcode项目.png

备注：这个代码同样也可以编译，但是亲测耗时1个小时左右，而上面的方式只需要十几分钟，所以不建议这种方式编译安装，只需要到这一步。

  • 最后的目录结构如下：
    目录结构.png

应用与实践：

我们拿到了源码，我们不仅可以进行clang插件开发，还可以有很多其他的应用开发，我们可以参与到LLVM的各个环节进行自定义开发，甚至开发一门新的编程语言。

clang插件开发

  • 在【clang/tools】源码目录下（上面的llvm目录）新建一个插件目录，假设叫做【hxw-plugin】
  • 在【clang/tools/CMakeLists.txt】最后加入内容: add_clang_subdirectory(hxw-plugin)，小括号里是插件目录名

  • 在【hxw-plugin】目录下新建一个【CMakeLists.txt】，文件内容是:add_llvm_library(HXWPlugin MODULE BUILDTREE_ONLY HXWPlugin.cpp)，保存后，cd到llvm_xcode目录下，执行上述提到过的命令cmake -G Xcode ../llvm生成xcode项目：
    生成的xcode项目目录.png

    打开xcode项目.png
  • 在HXWPlugin.cpp文件中进行自定义开发（我们以检验类名为例），代码如下：
namespace HXWPlugin {
    ///语法树匹配finder及回调
    class HXWHandler : public MatchFinder::MatchCallback {
    private:
        CompilerInstance &ci;
        
    public:
        HXWHandler(CompilerInstance &ci) :ci(ci) {}
        ///匹配到的回调会触发run函数
        void run(const MatchFinder::MatchResult &Result) {
            if (const ObjCInterfaceDecl *decl = Result.Nodes.getNodeAs<ObjCInterfaceDecl>("ObjCInterfaceDecl")) {
                size_t pos = decl->getName().find('_');///类名中含有下划线
                if (pos != StringRef::npos) {///有，则返回位置并report error
                    DiagnosticsEngine &D = ci.getDiagnostics();
                    SourceLocation loc = decl->getLocation().getLocWithOffset(pos);
                    D.Report(loc, D.getCustomDiagID(DiagnosticsEngine::Error, "呵呵：类名中不能带有下划线"));
                }
            }
        }
    };
    ///语法树
    class HXWASTConsumer: public ASTConsumer {
    private:
        MatchFinder matcher;//匹配Finder
        HXWHandler handler;//匹配后的回调
        
    public:
        HXWASTConsumer(CompilerInstance &ci) :handler(ci) {
           ///向MatchFinder添加扫面内容（objcInterfaceDecl，代表类名，上面的语法树可以看到）及回调
            matcher.addMatcher(objcInterfaceDecl().bind("ObjCInterfaceDecl"), &handler);
        }///构造方法
        ///匹配到后出发回调，并携带有上下文context
        void HandleTranslationUnit(ASTContext &context) {
            matcher.matchAST(context);
        }
    };
    ///语法树Action
    class HXWASTAction: public PluginASTAction {
    public:
        unique_ptr<ASTConsumer> CreateASTConsumer(CompilerInstance &ci, StringRef iFile) {
            ///创建HXWASTConsumer实例
            return unique_ptr<HXWASTConsumer> (new HXWASTConsumer(ci));
        }
        
        bool ParseArgs(const CompilerInstance &ci, const vector<string> &args) {
            return true;
        }
    };
}
///注册插件HXWPlugin和HXWASTAction，在编译的时候，自动回到HXWASTAction的CreateASTConsumer函数和ParseArgs函数
static FrontendPluginRegistry::Add<HXWPlugin::HXWASTAction>
X("HXWPlugin", "The HXWPlugin is my first clang-plugin.");

  • 选择HXWPlugin这个target进行编译，编译完会生成一个动态库文件：


    选择对应的target编译.png

    编译的结果得到动态库.png

Xcode集成plugin

  • Xcode10以下方式：hack Xcode，要对Xcode进行Hack，才能修改默认的编译器（Xcode默认自带Apple clang编译）。
    1、下载【XcodeHacking.zip】，解压，修改【HackedClang.xcplugin/Contents/Resources/HackedClang.xcspec】的内容，设

    置一下自己编译好的clang的路径：
    image.png
    2、然后在XcodeHacking目录下进行命令行，将XcodeHacking的内容剪切到Xcode内部：
sudo mv HackedClang.xcplugin `xcode-select -print-path`/../PlugIns/Xcode3Core.ideplugin/Contents/SharedSupport/Developer/Library/Xcode/Plug-ins
sudo mv HackedBuildSystem.xcspec `xcode-select -print-path`/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/Library/Xcode/Specifications

3、然后再build settings的build option下面的选择自定义的编译器：
image.png

4、还需要设置变量，将我们自定义编译的动态库添加到Xcode：在Xcode项目中指定加载插件动态库:BuildSettings > OTHER_CFLAGS -Xclang -load -Xclang 动态库路径 -Xclang -add-plugin -Xclang 插件名称。

  • Xcode10及以上版本，不需要hack，直接导入我们编译好的插件，然后设置几个变量即可
    导入插件，与上面第4步一样.png
    设置clang路径.png
  • 编译测试代码，我们可以发现检验到类名报错，编译不通过：
    监测到命名不正确，编译不通过.png

    参考：LLVM & Clang 入门
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