LLVM是什么?当我第一次思考这个问题时，我发现自己缺乏O-LLVM (Obfuscator-LLVM)的知识。我需要利用O-LLVM项目来开发一个工具来混淆Android的Native C/ C++的代码，同时研究虚拟机保护技术。事实上，O-LLVM是源自LLVM项目。它使用LLVM的来混淆代码生成过程的中间表达（Intermediate Representation），然后将其送到后端，最后后端生成目标的机器码。
让我们看一下LLVM在维基百科的定义：
>LLVM编译器的基础设施项目是“”模块化、可重用的编译器和工具链技术的集合”，用于开发编译器前端和后端。
## LLVM的历史
2000年，Chris Lattner进入伊利诺伊大学香槟分校攻读硕士学位。他是个超级大学霸，平均绩点达到4分，在学习之余，他还游历了美国许多名胜古迹，并反复阅读《编译者之书:原理、技术和工具》（*Compilers: Principles, Techniques*）。LLVM项目是在他的导师Vikram Adve的指导下开始的。在他的学习生活中，他的核心研究领域是编译器，他的硕士论文《LLVM：一个多阶段优化的编译器架构》（[***LLVM: an infrastructure for multi-stage optimisation***](https://blog-1252789527.cos.ap-shanghai.myqcloud.com/article/Start%20From%20Scratch%20To%20Talk%20About%20LLVM/LLVM-2002-12-LattnerMSThesis.pdf)），在这篇论文中，他提出了一种使用低级表示形式，但同时能表达高级信息的虚拟指令。他将其称为低层虚拟机，这是LLVM项目的原型（LLVM是低层虚拟机的缩写，Low Level Virtual Machine）。
他敏锐地意识到当时编译器（或者称为解释器）存在着几个问题，于是他决心解决它们。
### 1.1 当时的编译器存在的问题
从2000年12月开始，LLVM被设计为一组具有定义良好接口的可重用库\[LA04\]。当时，开放源码编程语言实现被设计成实现特殊用途的工具，通常被当做一个整体来执行。例如，重用**GCC静态编译器**的语法分析器模块来进行静态分析或重构就非常困难。虽然脚本语言通常可以将运行时状态（runtime）和解释器（interpreter）嵌入到更大的应用程序中，但是这个**运行时状态**是包含或排除一个整体代码块的条件下构建的。没有重用代码片段的方法，而且在跨语言的项目实现时难以共享代码。
除了编译器本身的组成之外，围绕流行的编程语言实现的社区通常是两极分化的：要么是传统的静态编译器（如GCC、Free Pascal和FreeBASIC），要么是以解释器或JIT（Just-in-time）编译器的形式提供运行时编译器（runtime compiler）。但同时支持这两种功能的语言实现是非常少见的，即使它们都支持，通常也很少共享代码。
| 存在的问题 | 优化的方向 |
| --- | --- |
| 中间表达形态（IR - Intermediate Representation）不能兼具通用性和强表达力 | 重新设计一种IR语言既包含低级信息也包含高级信息 |
| 整体化、高内聚的设计架构 | 改用模块化的设计模型 |
| 难以用SDK和库的形式来重用 | 设计一种完美的调用机制 |
:-: 表格：LLVM最初的优化的方向
### 1.2 LLVM都做了些什么？
LLVM重新设计了一种中间表达式（IR）。这种新的LLVM虚拟指令提供了低层表示（紧凑表示、各种可用的转换等）的好处，还提供了高级信息，以支持在链接时和链接后主动进行过程间优化。特别是，该系统的设计目的是支持运行时优化，甚至在机器的空闲时间进行优化。
总之，LLVM最初是作为一项基础设施研究而进行开发的，用于研究静态和动态编程语言的动态编译技术。
在Chrise Lattner博士期间，他进一步使用GCC作为前端进行语义分析，生成中间格式（IF - Intermediate Format），然后使用LLVM完成优化和代码生成的工作。至此，Lattner作为一名编译工程师，开始在编译器开发的社区里小有名气。
### 1.3 LLVM的潜在价值被苹果公司挖掘
因此，在2005年，苹果公司雇佣了Lattner，并为他组建了一个团队，为实现苹果系统中的各种用途而开发LLVM系统。LLVM是苹果最新的macOS和iOS开发工具的一个组成部分。自2013年以来，索尼一直在PlayStation 4游戏机的软件开发工具包（SDK）中使用LLVM的Clang作为前端编译器。
LLVM最初是低级虚拟机的首字母缩写（Low Level Virtual Machine）。为了避免混淆，官方已经废弃掉这个称呼了，因为LLVM已经发展成为一个覆盖面更广的项目了，与大多数开发人员所认为的虚拟机几乎没有关系。现在，LLVM已经发展为一个包含LLVM中间表达式（IR）、LLVM调试器、C++标准库实现（完全支持C++ 11和C++ 14）等的大项目。目前LLVM由LLVM基金会管理。
如今，LLVM一个是比其他编译器更好的编译器工具链，与GCC相比，它具有以下优点：
1. 在某些平台中编译要比GCC快得多，例如，调试模式下编译Objective-C时，LLVM比GCC快3倍。
2. 在生成抽象语法树（AST - Abstract Syntax Tree）时，占用的内存仅为GCC的1/5。
3. LLVM调试的调试信息表达更精准、更容易易分析和阅读。
4. LLVM被设计成一个模块化库，更容易嵌入IDE或进行重用。
5. LLVM很灵活，并且比GCC更容易扩展。
LLVM是用C++编写的，用于编译时、链接时、运行时和“空闲时”优化用任意编程语言编写的程序。最初只是为了编译C和C++，可是LLVM的语言无关架构设计已经催生了各种各样的前端：LLVM支持的语言包括ActionScript, Ada, C#, Common Lisp, Crystal, CUDA, D, Delphi, Fortran, Graphical G Programming Language, Halide, Haskell, Java bytecode, Julia, Kotlin, Lua, Objective-C, OpenGL Shading Language, Pony, Python, R, Ruby, Rust, Scala, Swift, and Xojo。
我读过Chris Lattner在《开源软件的架构》（[***The Architecture of Open Source Applications***](http://www.aosabook.org/en/index.html)）一书中所写的的文章：[***LLVM***](http://www.aosabook.org/en/llvm.html)。接下来，我将做一些从中摘录一些关键性的笔记来讲解LLVM。
## 2 编译器的三段式架构
传统静态编译器（与大多数C编译器一样）最流行的设计是三段式设计，其主要组件是前端（Frontend）、优化器（Optimiser）和后端（Backend）。前端解析源代码，检查错误，并构建一个特定语言的抽象语法树（AST）来表示输入代码。AST可以选择性地转换为中间表达式，以便用于优化器。之后再经过优化器和后端，最后生成能在机器上运行的机器码。
优化器负责执行各种各样的转换，以尝试改进代码的运行时间，例如消除冗余代码，这个过程通常是与前后端无关的。后端（也称为代码生成器）将代码映射到目标指令集。除了生成正确的代码外，它还可以根据所支持的体系结构的特点，来生成适应该架构的优质代码。编译器后端常见的部分包括指令选择、寄存器分配和指令调度。
这个模型同样适用于解释器和JIT编译器。Java虚拟机（JVM - Java Virtual Machine）也是这个模型的实现，它使用Java字节码作为前端和优化器之间的接口。
### 2.1 该模型的优点
这种设计模式的过人之处，体现在当编译器决定支持多种源语言或目标体系结构时。如果编译器在其优化器中使用公共代码表示，那么可以为任何可以编译到它的语言编写前端，也可以为任何可以从它编译的目标编写后端，如下图所示。
使用这种设计模式有三个优点：
* **可重用好。** 由于前端和后端是分离的，当移植一个新的语言源（例如Algol或BASIC）时，只需要实现一个新的前端，而现有的优化器和后端保持不变即可。
* **享受丰富的开发者资源。** 这种设计意味着它支持不止一种源语言和目标（例如Intel cpu、ARM、MIPS），从而为更广泛的程序员提供服务。如果有更多的开发人员参与到这个项目中，那么就会有更多高质量的代码产生，这自然会对编译器带来更多的增强和改进。
* **有利于分工。** 实现前端所需的技能与优化器和后端所需的技能不同。将它们分开可以使“前端人员”更容易地增强和维护他们的编译器部分。虽然这是一个社交问题，而不是技术问题，但在实践中它非常重要，尤其是对于希望尽可能减少贡献障碍的开源项目。
### 2.2 目前的编程语言是如何实现编译过程的？
虽然**编译器的三段式设计**的好处是显然的，并且被写进了我们的教科书里，但实际上它几乎从未完全的实现过。纵观开源语言实现，回到在LLVM项目的启动之初，你会发现Perl、Python、Ruby和Java的实现没有共享代码。此外，像Glasgow Haskell Compiler (GHC)和FreeBASIC这样的项目虽然可以重定向到多个不同的CPU，但是它们的实现非常依赖于某一种特定的编程语言（也就是它们所支持那种语言）。各种用于特殊用途的编译器技术被用于实现JIT编译器，用以实现图像处理、正则表达式、显卡驱动程序，或者被用于其他需要密集型CPU工作的领域。
这个模型有三个主要的成功案例：
**Java虚拟机和 .NET 虚拟机。** 首先是Java虚拟机和.NET虚拟机。这两个系统都提供了JIT编译器、运行时支持和定义优良的字节码格式。这意味着任何可以编译成字节码格式的语言（有几十种格式）都可以利用优化器、JIT、运行时（runtime）。权衡的结果是，Java和.NET在实现**运行时（runtime）**的时候，几乎没有提供灵活性：它们都强制JIT编译、垃圾收集机制和使用非常特殊的对象模型。当编译与此模型不匹配的语言（如C语言、LLJVM项目）时，这会导致性能低下。
**翻译成C代码。** 第二个成功案例可能是最不幸的，但也是重用编译器技术最流行的方法：将输入源翻译成C代码（或其他语言），并用现有的C编译器进行处理。这允许重用优化器和代码生成器，提供良好的灵活性，控制了运行时，并且前端实现人员非常容易理解、实现和维护。但不幸的是，这样做会阻止异常处理的有效实现，是得调试的体验变得糟糕，降低编译速度，并且对于需要保证尾调用（或着C语言不支持的其他特性）的语言可能会有问题。
**GCC编译器。** 此模型的最后一个成功实现是GCC。GCC支持许多前端和后端，并拥有一个活跃而广泛的开发者社区。GCC作为一个C编译器有着悠久的历史，它支持多个目标，并同时支持多语言实现。随着时间的推移，GCC社区正在向更纯粹而简洁的设计靠近。从GCC 4.4开始，它为优化器提供了一个新的表示（称为“GIMPLE元组”），与以前的表达形式相比，与前端的分离程度更高。此外，它的Fortran前端和Ada前端使用一中更简洁的AST。
这三种成功案例虽然看上去不错，但实质上它们还是存在着较大的局限性，因为它们被设计为单一而整体的程序。例如，我们不可能将GCC嵌入到其他应用程序中、将GCC用作运行时/JIT编译器，或者在不引入大部分编译器的情况下提取和重用GCC的代码片段。想要使用GCC的C++前端来生成文档、建立代码索引、重构代码或者制作静态分析工具，我们必须将GCC作为一个整体应用程序来使用。我们需要以XML的形式发送的信息，或者编写插件来将外部代码注入GCC进程中。
GCC不能作为可重用的库的原因有很多，包括大量使用全局变量、弱的常量、设计不佳的数据结构、不断扩展的代码库，以及使用宏来阻止将基本代码一次编译成支持多对前端/目标的能力。然而，最难解决的问题源自其早期设计时固有架构问题。具体来说，GCC存在分层问题和抽象泄漏的问题：后端遍历前端AST来生成调试信息，前端生成后端数据结构，而整个编译器又依赖于命令行接口设置的全局数据结构。
