Keil AC6編譯器實(shí)現(xiàn)的原理

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作者 | strongerHuang微信公眾號(hào) | 嵌入式專欄
Keil MDK自V5.36版本之后，就“拋棄”了AC5（Arm Compiler 5）編譯器，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，下載最新版V5.38a，沒(méi)有AC5編譯器。
而AC6相較于AC5在編譯速度上有很大的提升，那么，你知道為什么嗎？
原因在于AC6是基于現(xiàn)代LLVM和Clang技術(shù)構(gòu)建而成，今天就來(lái)講講AC6和LLVM的編譯原理。
關(guān)于編譯器AC6
早在2015年，Arm就推出了AC6編譯器，并集成在Keil MDK中。但由于AC5和AC6對(duì)代碼的的兼容性不友好，導(dǎo)致很多使用Keil MDK的用戶還是AC5編譯器。
所以兼容性不友好，但AC6的編譯速度相比AC5快很多，因此還是吸引了一部分人使用AC6編譯器。
為什么AC6編譯速度快了很多呢？原因在于AC6使用了一套全新的架構(gòu)技術(shù)。
AC6組件如下圖：

1.armclang

基于現(xiàn)代LLVM和Clang技術(shù)構(gòu)建

支持GNU語(yǔ)法匯編

與最初為GCC編寫的源代碼高度兼容

實(shí)現(xiàn)規(guī)范，包括ANSI / ISO C和C ++，用于Arm架構(gòu)的ABI，用于64位Arm架構(gòu)的ABI以及Arm C語(yǔ)言擴(kuò)展（ACLE）
2.armlink功能豐富的專用嵌入式鏈接器，該鏈接器將對(duì)象和庫(kù)組合在一起以生成可執(zhí)行文件
3.Arm C庫(kù)：由Arm針對(duì)性能和代碼密度進(jìn)行了優(yōu)化，并包括 用于深度嵌入式應(yīng)用程序的微型MicroLib。
4.Arm C++庫(kù)：基于LLVM libc ++項(xiàng)目的庫(kù)
這部分內(nèi)容可參看：
https://developer.arm.com/tools-and-software/embedded/arm-compiler
Keil MDK 編譯器 AC5 和 AC6 優(yōu)化選項(xiàng)重要內(nèi)容有著很大區(qū)別：ARM Compiler 5（和更早版本）使用armcc編譯器，而ARM Compiler 6將armcc替換為armclang，armclang基于LLVM，它具有不同的命令行參數(shù)、指令等，因此算是一個(gè)新的編譯器。
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LLVM基礎(chǔ)內(nèi)容
上面我們講到了AC6是基于LLVM，下面就來(lái)講講關(guān)于LLVM的內(nèi)容。
1.什么LLVM?
LLVM是構(gòu)架編譯器(compiler)的框架系統(tǒng)，以C++編寫而成，用于優(yōu)化以任意程序語(yǔ)言編寫的程序的編譯時(shí)間(compile-time)、鏈接時(shí)間(link-time)、運(yùn)行時(shí)間(run-time)以及空閑時(shí)間(idle-time)，對(duì)開(kāi)發(fā)者保持開(kāi)放，并兼容已有腳本。
在理解LLVM時(shí)，我們可以認(rèn)為它包括了一個(gè)狹義的LLVM和一個(gè)廣義的LLVM。廣義的LLVM其實(shí)就是指整個(gè)LLVM編譯器架構(gòu)，包括了前端、后端、優(yōu)化器、眾多的庫(kù)函數(shù)以及很多的模塊；而狹義的LLVM其實(shí)就是聚焦于編譯器后端功能（代碼生成、代碼優(yōu)化、JIT等）的一系列模塊和庫(kù)。
2.LLVM優(yōu)勢(shì)傳統(tǒng)編譯器分三個(gè)階段： 前端（Frontend）-- 優(yōu)化器（Optimizer）-- 后端（Backend）
前端負(fù)責(zé)分析源代碼，可以檢查語(yǔ)法級(jí)錯(cuò)誤，并構(gòu)建針對(duì)語(yǔ)言的抽象語(yǔ)法樹(shù)（AST）；抽象語(yǔ)法樹(shù)可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為優(yōu)化，最終轉(zhuǎn)為新的表示方式，然后再交給讓優(yōu)化器和后端處理；
最終由后端生成可執(zhí)行的機(jī)器碼。

llvm也分三個(gè)階段，但是設(shè)計(jì)上略微的有些區(qū)別， LLVM不同的就是對(duì)于不同的語(yǔ)言它都提供了同一種中間表示：

前端可以使用不同的編譯工具對(duì)代碼文件做詞法分析以形成抽象語(yǔ)法樹(shù)AST，然后將分析好的代碼轉(zhuǎn)換成LLVM的中間表示IR（intermediate representation）；中間部分的優(yōu)化器只對(duì)中間表示IR操作，通過(guò)一系列的pass對(duì)IR做優(yōu)化；后端負(fù)責(zé)將優(yōu)化好的IR解釋成對(duì)應(yīng)平臺(tái)的機(jī)器碼。LLVM的優(yōu)點(diǎn)在于，中間表示IR代碼編寫良好，而且不同的前端語(yǔ)言最終都轉(zhuǎn)換成同一種的IR。
為什么使用三段式設(shè)計(jì)？?jī)?yōu)勢(shì)在哪里？首先解決一個(gè)很大的問(wèn)題：假如有N種語(yǔ)言（C、OC、C++、Swift...）的前端，同時(shí)也有M個(gè)架構(gòu)（模擬器、arm64、x86...）的target，是否就需要N*M個(gè)編譯器？三段式架構(gòu)的價(jià)值就提現(xiàn)出來(lái)了，通過(guò)共享優(yōu)化器的中轉(zhuǎn)，很好的解決了這個(gè)問(wèn)題。
Clang和LLVM關(guān)系
Clang是一個(gè)C++編寫、基于LLVM、發(fā)布于LLVM BSD許可證下的C/C++/Objective-C/Objective-C++編譯器。那么為什么已經(jīng)有了GCC還要開(kāi)發(fā)Clang呢？Clang相比于GCC有什么優(yōu)勢(shì)呢？
其實(shí)，這也是Clang當(dāng)初在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的時(shí)候所主要考慮的原因。Clang是一個(gè)高度模塊化開(kāi)發(fā)的輕量級(jí)編譯器，它的編譯速度快、占用內(nèi)存小、非常方便進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。
LVM和Clang的關(guān)系是怎樣的呢。我們將它們對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)的編譯器當(dāng)中的幾個(gè)獨(dú)立的部分，這樣能夠更加方便明確生動(dòng)的表述。

其實(shí)，對(duì)應(yīng)到這個(gè)圖中，我們就可以非常明確的找出它們的對(duì)應(yīng)關(guān)系。LLVM與Clang是C/C++編譯器套件。對(duì)于整個(gè)LLVM的框架來(lái)說(shuō)，包含了Clang，因?yàn)镃lang是LLVM的框架的一部分，是它的一個(gè)C/C++的前端。Clang使用了LLVM中的一些功能，目前知道的就是針對(duì)中間格式代碼的優(yōu)化，或許還有一部分生成代碼的功能。
從源代碼角度來(lái)講，clang是基于LLVM的一個(gè)工具。而功能的角度來(lái)說(shuō)，LLVM可以認(rèn)為是一個(gè)編譯器的后端，而clang是一個(gè)編譯器的前端，他們的關(guān)系更加的明了，一個(gè)編譯器前端想要程序最終變成可執(zhí)行文件，是缺少不了對(duì)編譯器后端的介紹的。
LLVM編譯工具鏈編譯流程
使用LLVM的對(duì)一門語(yǔ)言編譯的簡(jiǎn)圖如下所示：

LLVM編譯一個(gè)源文件的過(guò)程：預(yù)處理 -> 詞法分析 -> Token -> 語(yǔ)法分析 -> AST -> 代碼生成 -> LLVM IR -> 優(yōu)化 -> 生成匯編代碼 -> Link -> 目標(biāo)文件.
完全需要我們手工，或者依靠其他工具如lex, yacc來(lái)做的事情，是從源代碼到token的詞法分析和從token到AST的語(yǔ)法分析；詞法分析的輸出是將源代碼解析成一個(gè)個(gè)的token。這些token就是有類型和值的一些小單元，比如是關(guān)鍵字，還是數(shù)字，還是標(biāo)識(shí)符，從AST轉(zhuǎn)LLVM開(kāi)始，LLVM就開(kāi)始提供一系列的工具幫助我們快速開(kāi)發(fā)。從IR(中間指令代碼)到DAG(有向無(wú)環(huán)圖)再到機(jī)器指令，針對(duì)常用的平臺(tái)，LLVM有完善的后端。也就是說(shuō)，我們只要完成了到IR這一步，后面的工作我們就享有和Clang一樣的先進(jìn)生產(chǎn)力了。
CodeGen負(fù)責(zé)將語(yǔ)法樹(shù)從頂至下遍歷，翻譯成LLVM IR，LLVM IR是Frontend的輸出，也是LLVM Backerend的輸入，橋接前后端。
LLVM命令：可以使用 llc 將 LLVM 字節(jié)代碼轉(zhuǎn)換成特定于平臺(tái)的匯編代碼lli 可以通過(guò)解釋器或使用高級(jí)選項(xiàng)中的即時(shí) (JIT) 編譯器執(zhí)行此工作llvm-gcc 是 GNU Compiler Collection (gcc) 的修改版本，可以在使用 -S -emit-llvm 選項(xiàng)運(yùn)行時(shí)會(huì)生成 LLVM 字節(jié)代碼。
編譯指令：clang -c -emit-llvm test1.c -o test1.bc  編譯產(chǎn)生字節(jié)碼
clang -S -emit-llvm test.c -o test.ll   編譯產(chǎn)生可視化字節(jié)碼
llvm-dis test1.bc test1.ll    bc字節(jié)碼轉(zhuǎn)為可視化字節(jié)碼ll
llvm-as test1.ll test1.bc    可視化字節(jié)碼轉(zhuǎn)為字節(jié)碼bc  
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