LLVM Essentials-Packt 2016（读书笔记）：TableGen讲解并不透彻，另外我还想知道后端优化步算法到底怎么编写？

LLVM Essentials

目录

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• 1 Playing with LLVM
• 2 Building LLVM IR
• 3 高级IR
• 4 基本IR变换
• 5 高级IR块变换
• 6 IR到Selection DAG阶段
• 7 为目标架构生成代码

Playing with LLVM[编辑]

1. 寄存器变量（%var）、栈变量（alloca，%1 ...）、
2. .c-->.bc：$ clang -emit-llvm -c main.c
3. .bc-->.s：$ llc output.bc –o output.s
4. .ll-->.bc：$ llvm-as add.ll –o add.bc
5. opt

   -analyze选项：basicaa、da、instcount、loops、scalar evolution

Building LLVM IR[编辑]

static LLVMContext &Context = getGlobalContext();static Module *ModuleOb = new Module("my compiler", Context);

FunctionType *funcType = llvm::FunctionType::get(Builder.getInt32Ty(), false); //注意这里type被简写为Ty了Function *fooFunc = llvm::Function::Create(funcType, llvm::Function::ExternalLinkage, Name, ModuleOb);

这里的‘外部链接’实际上是指导出符号；

BasicBlock* bb = BasicBlock::Create(Context, Name, fooFunc);

全局变量：

ModuleOb->getOrInsertGlobal(Name, Builder.getInt32Ty());GlobalVariable *gVar = ModuleOb->getNamedGlobal(Name); ...//得到：@x = common global i32, align 4

插入返回值语句：

Builder.SetInsertPoint(entry); //注意，SetInsertPoint API显然是有状态的；Builder.CreateRet(Builder.getInt32(0));

设置函数参数：略

分支语句：需要phi merge节点

PHINode *Phi = Builder.CreatePHI(Type::getInt32Ty(getGlobalContext()), PhiBBSize, "iftmp");Phi->addIncoming(ThenVal, ThenBB);Phi->addIncoming(ElseVal, ElseBB); //注意这里由于SSA，bb本身就是value；

循环：略

...Builder.CreateCondBr(EndCond, LoopBB, AfterBB);...

高级IR[编辑]

1. getelementptr：offset支持负值吗？
2. load
3. store
4. insertelement（其实不就是给数组元素赋值吗？）
5. extractelement

    %0 = extractelement <4 x i32> %a, i32 0 //注意这里数组类型的写法，类型写在变量的前面

基本IR变换[编辑]

1. runOn{Passtype}: Module、Function、BasicBlock、Loop
2. getAnalysisUsage：指定pass之间的依赖关系
   1. AU.addRequired<AliasAnalysis>(); //注意这里使用了成员函数模板
   2. addRequiredTransitive
   3. addPreserved
3. 指令简化
   1. if (match(Op0, m_Not(m_Specific(Op1))) || match(Op1, m_Not(m_Specific(Op0)))) //注意这里的匹配模板写法
   2. instcombine：化简成等价且更少的指令

高级IR块变换[编辑]

1. Loop processing
   1. CFG：dominate关系
   2. 循环规范化：增加preheader、exit block，只允许一个backedge等等
   3. LoopPass基类、LPPassManager（llvm的类方法命名总是喜欢突然来个缩写，fuck）
   4. LICM（循环不变式外提）
   5. 更多的循环优化：lib/Transforms/Scalar
2. Scalar evolution（更高级的“抽象解释”？）
   1. $ opt -analyze -scalar-evolution scalevl.ll
3. LLVM intrinsics（编译器内置函数）
   1. call void @llvm.memset.p0i8.i64(i8* %a2, i8 0, i64 20, i32 16, i1 false) //这让人感觉所谓的LLVM编译器其实只是解释器？（runtime函数）
   2.  %1 = getelementptr inbounds [5 x i32], [5 x i32]* %a, i64 0, i64 0
4. Vectorization（不是特别的清楚，“Loop-Aware SLP in GCC”by Ira Rosen, etc？）
   1. 2种类型：SLP、Loop vectorization
   2. SIMD
   3. $ opt -S -basicaa -slp-vectorizer -mtriple=aarch64-unknown-linuxgnu -mcpu=cortex-a57 addsub.ll –debug

IR到Selection DAG阶段[编辑]

1. SelectionDAGBuilder：以%add = add nsw i32 %a, %b为例
   1. SelectionDAGBuilder::visit
   2. visitAdd

      visitBinary SDValue?

2. Legalizing SelectionDAG（合法化，目标平台适配）
   1. 例：X86上sdiv扩展到sdivrem
3. Optimizing SelectionDAG
   1. DAGCombiner
   2. AArch64DAGToDAGISel::Select
4. Instruction Selection（注意，指令类型平台已经支持了，但是寄存器什么的还没分配呢）
   1. X86DAGToDAGISel::SelectCode() TableGen自动生成（llvm很难理解的地方就是TableGen的语法）
5. Scheduling and emitting machine instructions
   1. InstrEmitter::EmitMachineNode：SDNode ==> MachineInstr（MachineBasicBlock）
   2. MachineInstrBuilder
      1. CreateVirtualRegisters（这里还是‘虚拟寄存器’？）
      2. virtual AdjustInstrPostInstrSelection
6. Register allocation
   1. spilling
   2. SSA form deconstruction（phi到reg copy）
   3. 映射虚拟寄存器到物理寄存器：2种方法
      1. 直接映射：TargetRegisterInfo/MachineOperand（程序员自己实现？）
      2. 间接：VirtRegMap::assignVirt2Phys（llvm内置的？）
   4. llvm 4种分配技术：
      1. Basic
      2. Fast
      3. PBQP
      4. Greedy
7. Code Emission：LLVM JIT和MC（生成obj格式的文件）
   1. AsmPrinter：使用平台特定的MCInstLowering接口如X86MCInstLower
   2. MCInst指令传递给MCStreamer对象
   3. 注意，the MC Layer is one of the big difference between LLVM and GCC.（GCC生成汇编格式的代码，依赖于平台外部汇编？）
8. $ llc test.ll -show-mc-encoding -o -

见鬼，我还是没有明白SDAG的作用（LLVM IR里不是有循环吗？为什么SDAG就变成DAG了呢？）

为目标架构生成代码[编辑]

1. 没有tablegen，llvm本身只具有学术意义，有了tablegen，llvm才变成了可工业使用的牛逼库
2. pipeline：SelectionDAG --> MachineDAG --> MachineInstr --> MCInst
3. 定义一个玩具后端：r0-3, sp, pc, cpsr（pc？）

• Defining registers and register sets

  每个寄存器都有一个唯一编号，这要求平台指令中的寄存器位表示是一致的（当然，有些是隐含的比如push/pop）

• Defining the calling convention（ABI）

  def CC_TOY : CallingConv<[

  CCIfType<[i8, i16], CCPromoteToType<i32>>, //8位、16位的提升到32位

  CCIfType<[i32], CCAssignToReg<[R0, R1]>>,

  CCIfType<[i32], CCAssignToStack<4, 4>> //开始2个参数R0，R1寄存器传递，剩余的通过栈传递

  def CC_Save : CalleeSavedRegs<(add R2, R3)>;

• Defining the instruction set

  def ADDrr : InstTOY<(outs GRRegs:$dst), (ins GRRegs:$src1, GRRegs:$src2), "add $dst, $src1,z$src2", [(set i32:$dst, (add i32:$src1, i32:$src2))]>;

• Implementing frame lowering
  • Frame lowering involves emitting function prologue and epilogue.（llvm ir是直接定义函数的，包括ret指令）
  • void TOYFrameLowering::emitPrologue(MachineFunction &MF) const {

    const TargetInstrInfo &TII = *MF.getSubtarget().getInstrInfo();

    MachineBasicBlock &MBB = MF.front();

    MachineBasicBlock::iterator MBBI = MBB.begin();

    uint64_t StackSize = computeStackSize(MF);

    unsigned StackReg = TOY::SP;

    unsigned OffsetReg = materializeOffset(MF, MBB, MBBI, (unsigned)StackSize);

    ... //略

• Lowering instructions

  代码略

• Printing an instruction
• Registering a target（略）