LLVM

開發者	LLVM開發團隊
首次?布	2003
?前版本	18.1.7 (2024年6月5日；穩定版本) [1]
源代??	github .com /llvm /llvm-project
?程?言	C++
操作系?	跨平台
?型	編譯器
?可??	帶有LLVM例外的 Apache?可? 2.0
?站	www .llvm .org

LLVM 是一套 ??器 基??施?目，? 自由?件 ，以 C++ 寫成，包含一系列模?化的??器?件和 工具? ，用?????器 前端 和 后端 。?是?了任意一種 程式語言 而寫成的程式，利用 虛擬技術 創造出 編譯時期 、 ?結時期 、 執行時期 以及“閒置時期”的最佳化。

?最早以 C / C++ ?實作對象，而目前?已支援包括 ActionScript 、 Ada 、 D語言 、 Fortran 、 GLSL 、 Haskell 、 Java 字??、 Objective-C 、 Swift 、 Python 、 Ruby 、 Crystal 、 Rust 、 Scala ^[2] 以及 C# ^[3] 等?言。

?史 [ ?? ]

LLVM專案的發展起源於2000年 伊利?伊大?厄巴?-香?分校 維克拉姆·艾夫 （Vikram Adve）與 克里斯·拉特納 （Chris Lattner）的?究，他們想要?所有靜態及 動態語言 創造出動態的編譯技術。LLVM是以 BSD授權 來發展的 ?源 軟體。2005年， ?果電腦 雇用了克里斯·拉特納及他的團隊??果電腦開發應用程式系統 ^[4] ，LLVM?現今 macOS 及 iOS 開發工具的一部分。

LLVM的命名最早源自於 底層虛擬機器 （ L ow L evel V irtual M achine ）的 首字母縮寫 ^[5] ，由於這個專案的範圍?不?限於建立一個虛擬機器，這個縮寫導致了廣泛的疑惑。LLVM開始成長之後，成??多編譯工具及低階工具技術的統稱，使得這個名字變得更不貼切，開發者因而決定放棄這個縮寫的意涵 ^[6] ，現今LLVM已單純成?一個系統，適用於LLVM下的所有專案，包含LLVM中介碼（LLVM IR）、LLVM除錯工具、LLVM C++標準函式庫等。

因LLVM對?業的貢獻， ?算机?? 於2012年? ACM?件系?? 授與維克拉姆·艾夫、克里斯·拉特納及 Evan Cheng ^[7] 。

自9.0.0版本?始，LLVM使用?有LLVM?外?款的 Apache?可? 2.0?行授? ^[8] 。而?2019年10月?始，LLVM?目的代?托管正式?移到了 GitHub ^[9] 。

描述 [ ?? ]

LLVM提供了一套适合??器系?的 中??言 （ Intermediate Representation ，IR），有大量??和?化都??其??。????和?化后的中??言，可以???目?平台相?的 ???言 代?。LLVM可以和 GCC 工具?一起工作，允??????目??的大量?有??器一起使用。LLVM?可以在??、?接?生成 可重新定位的程式碼 （Relocatable Code），甚至在?行?生成二?制机器?。

LLVM的中??言?具?的?言、指令集、?型系?无?，其中每?指令都是 ?????形式 （SSA）， ?每??量只能被??一次。?有助于?化?量之?的依?分析。LLVM允?????代?，或者通? ???? （JIT）机制?中?表示???机器?（?似Java）。

LLVM支援與語言無關的 指令集架構 及 類型系統 ^[10] 。每個在 ?????形式 （SSA）的指令集代表著，每個 變數 （被稱?具有型別的暫存器）僅被賦?一次，這簡化了變數間相依性的分析。LLVM允許程式碼被靜態的編譯，包含在傳統的GCC系統底下，或是類似 JAVA 等後期編譯才將IF編譯成機器碼所使用的 ?時編譯 （JIT）技術。?的型別系統包含基本型別（ 整數 或是 浮点? ）及五個 複合型別 （ 指標 、 ?? 、向量、結構及 函數 ），在LLVM具體語言的型別建制可以以結合基本型別來表示，?例來說，C++所使用的class可以被表示?結構、函式及 函?指? 的陣列所組成。

LLVM JIT編譯器可以最佳化在執行時期時程式所不需要的靜態分支，這在一些 部?求? （Partial Evaluation）的案例中相當有效，?當程式有許多選項，而在特定環境下其中多數可被判斷?是不需要。這個特色被使用在 Mac OS X Leopard （v10.5）底下 OpenGL 的管線，當硬體不支援某個功能時依然可以被成功地運作 ^[11] 。OpenGL堆?下的繪圖程式被編譯?IR，接著在機器上執行時被編譯，當系統擁有高階 GPU 時，這段程式會進行極少的修改?將傳遞指令給GPU，當系統擁有低階的GPU時，LLVM將會編譯更多的程序，使這段GPU無法執行的指令在本地端的 中央?理器 執行。LLVM增進了使用 Intel GMA 晶片等低端機器的效能。一個類似的系統發展於Gallium3D LLVMpipe，?已被合?到 GNOME ，使其可運行在沒有GPU的環境 ^[12] 。

根據2011年的一?測試，GCC在執行時期的性能平均比LLVM高10% ^{[13] [14]} 。而2013年測試?示，LLVM可以編譯出接近 GCC 相同效能的執行碼 ^[15] 。

編譯器 [ ?? ]

LLVM已?成?多???器和代?生成相?子?目的母?目。

前端 [ ?? ]

LLVM最初被用來取代GCC中的程式碼?生器 ^[16] ，許多GCC的前端已經可以與其運行，LLVM目前支援 Ada 、 C?言 、 C++ 、 D語言 、 Fortran 、 Haskell 、 Julia 、 Objective-C 、 Rust 及 Swift 的編譯，?使用許多的編譯器，有些來自4.0.1及4.2的 GCC 。

LLVM引發一些人來?許多語言開發新的編譯器，其中一個最引發注意的就是 Clang ，?是一個新的編譯器，同時支援C、Objective-C以及C++。主要來自?果電腦的支持，Clang的目的用以取代GCC系統底下的C/Objective-C編譯器，在當代的系統，他較?容易與 集成???境 （IDE）整合，而且對於 ?程 有更好的支援。Clang?3.8版本?始已?支持 OpenMP ^[17] 。GCC底下Objective-C的開發已經停滯，而?果電腦已經將其支援移至其他的維護分支。

Utrecht Haskell 編譯器可以?生LLVM使用的程式碼，但?還在初期的開發階段，?且在許多案例，展示他比起C程式碼?生器擁有更好的效率 ^[18] Glasgow Haskell Compiler （GHC）擁有一個可以運作的LLVM後端，程式執行效能對比起原先的編譯器可以達到30%的加速，?僅比一個由GHC所實現，?擁有多項最佳化技術的編譯器還慢 ^[19]

還有其他的元件在不同的開發階段，包含（但不限於） Java bytecode ^[20] 、 通用中??言 （CIL）、 MacRuby （實現Ruby 1.9）、 Standard ML 及新的 graph coloring 暫存器配置. ^{[來源請求]}

中?表示 [ ?? ]

LLVM的核心是中?表示（ Intermediate Representation ，IR），一??似??的底??言。IR是一? 强?型 的 精?指令集 （ Reduced Instruction Set Computing ，RISC），??目?指令集?行了抽象。例如，目?指令集的函??用?例被抽象? call 和 ret 指令加上明?的??。?外，IR采用无限??的?存器，使用如%0，%1等形式表?。LLVM支持三?表?形式：人?可?的??，在C++中?象形式和序列化后的bitcode形式。

例如，一???的 Hello World 程序可以表??如下的??形式。?IR?言的完整描述??考LLVM官方文? ^[21] ：

@.str
 =
 internal
 constant
 [
14
 x
 i8
]
 c
"hello, world\0A\00"


declare
 i32
 @printf
(
i8
*,
 ...)


define
 i32
 @main
(
i32
 %argc
,
 i8
**
 %argv
)
 nounwind
 {

entry:

    %tmp1
 =
 getelementptr
 [
14
 x
 i8
],
 [
14
 x
 i8
]*
 @.str
,
 i32
 0
,
 i32
 0

    %tmp2
 =
 call
 i32
 (
i8
*,
 ...)
 @printf
(
 i8
*
 %tmp1
 )
 nounwind

    ret
 i32
 0

}

后端 [ ?? ]

至11.0版本，LLVM已?支持多?后端指令集，包括 ARM 、 Qualcomm Hexagon （ 英? ： Qualcomm Hexagon ） 、 MIPS 、 Nvidia?行指令集 （LLVM中??NVPTX）， PowerPC 、 AMD TeraScale ^[22] 、 AMDGPU （ 英? ： AMDGPU ） 、 SPARC 、 SystemZ 、 RISC-V 、 WebAssembly 、 x86 、 x86-64 和 XCore 。

LLVM包含一???的MC模?，?机器指令在文字形式和机器?形式?相互??。在之前LLVM依?系?或是平台??的工具???????机器?。LLVM机器?的集成??器已?支持?大多?LLVM的目?平台。

?接器 [ ?? ]

lld?接器子?目旨在?LLVM??一??置的，平台?立的?接器 ^[23] ，去除?所有第三方?接器的依?。在2017年5月，lld已?支持 ELF 、 PE/COFF 、 和 Mach-O 。在lld支持不完全的情?下，用?可以使用其他?目，如 GNU ld ?接器。 lld支持?接??化。?LLVM?接??化被?用?，LLVM可以?出bitcode而不是本机代?，而本机代?生成由?接器?化?理。

C++?准? [ ?? ]

LLVM?目包含一?C++?准?的??（libcxx），具有 MIT?可? 和 UIUC?可? 的??可??。 ^[24]

?見 [ ?? ]

• Clang C/C++編譯器
• GNU lightning
• GNU Compiler Collection （GCC）
• OpenGL

參考文獻 [ ?? ]

外部連結 [ ?? ]

• LLVM計劃官方網站 （ ?面存??? ，存于 互???案? ）
• LLVM Project Blog （ ?面存??? ，存于 互???案? ）
• LLVM: A Compilation Framework for Lifelong Program Analysis & Transformation （ ?面存??? ，存于 互???案? ）?a published paper by Chris Lattner and Vikram Adve.
• LLVM Language Reference Manual （ ?面存??? ，存于 互???案? ）?describes the LLVM intermediate representation.
• LLVM 2.0 Presentation （ ?面存??? ，存于 互???案? ）?Google Tech Talk Presentation on LLVM 2.0
• Discussion of LLVM （ ?面存??? ，存于 互???案? ） by John Siracusa at Ars Technica
• LLVM內部結構 （ ?面存??? ，存于 互???案? ）（The Architecture of Open Source Applications, Volume II - ISBN 9781105571817 ）
• LLVMLinux專案