Low Level Virtual Machine LLVM універсальна система аналізу трансформації і оптимізації програм що реалізує віртуальну м

Low Level Virtual Machine (LLVM) — універсальна система аналізу, трансформації і оптимізації програм, що реалізує віртуальну машину з RISC-подібними інструкціями. Може використовуватися як оптимізувальний компілятор цього байт-коду в машинний код для різних архітектур або для його інтерпретації та JIT-компіляції (для деяких платформ).

LLVM

Тип	Компілятори, оптимізатори і генератори коду
Розробники	LLVM Developer Group
Перший випуск	24 жовтня 2003
Стабільний випуск	17.0.6 (28 листопада 2023)
Операційна система	кросплатформність
Мова програмування
Ліцензія	University of Illinois Open Source License
Репозиторій	github.com/llvm/llvm-project
Вебсайт	llvm.org
Медіафайли у Вікісховищі

LLVM дозволяє компілювати програми, написані мовами С, , ObjC, Fortran, Ada, Haskell, Java, Python, Ruby, Rust, JavaScript, GLSL, або будь-якою іншою, для якої реалізовано front-end. В рамках проєкту розроблено фронтенд Clang для мов C і і версія GCC, що використовують LLVM як бекенд. У Glasgow Haskell Compiler також реалізована компіляція за допомогою LLVM, існує ще безліч програм, що використовують цю інфраструктуру.

Історія

LLVM — не просто черговий академічний проєкт. Його історія почалась у 2000 році в Університеті Іллінойса, а тепер LLVM використовують такі гіганти індустрії як Apple, Adobe та Google. Зокрема, на LLVM заснована підсистема OpenGL у MacOS X 10.5, a iPhone SDK використовує GCC з бекендом на LLVM. Apple та Google є одними із основних спонсорів проєкту, а натхненник LLVM — Кріс Латтнер — тепер працює в Apple.

Особливості

У основі LLVM лежить проміжне подання коду (intermediate representation, IR), над яким можна виконувати трансформації у всі компіляції, компонування і виконання. Із нього генерується оптимізований машинний код для низки платформ, як статично, так і динамічно (JIT-компіляція). LLVM підтримує генерацію коду для x86, x86-64, ARM, PowerPC, SPARC, MIPS, IA-64, Alpha.

LLVM написана на і портована на більшість unix-систем і Windows. Система має модульну структуру і може розширюватись додатковими алгоритмами трансформації (compiler passes) і кодогенераторами для нових апаратних платформ. Фронтенд користувача, як правило, лінкується із LLVM і використовує C++ API для генерації коду і його перетворень. Однак LLVM містить у собі й standalone утиліти.

У LLVM включена обгортка API для OCaml.

Платформи

LLVM підтримує роботу на наступних платформах:

Операційна система	Архітектура	Компілятор
FreeBSD	x86	GCC, Clang
FreeBSD	AMD64	GCC, Clang
Linux	AMD64	GCC, Clang
Linux	x86	GCC, Clang
Mac OS X	PowerPC	GCC
Mac OS X	x86	GCC, Clang
Solaris		GCC
Cygwin/Win32	x86	GCC 3.4.X, Binutils 2.15
MinGW/Win32	x86	GCC 3.4.X, Binutils 2.15

LLVM має часткову підтримку таких платформ:

Операційна система	Архітектура	Компілятор
Windows	x86	Visual Studio .NET
AIX	PowerPC	GCC
Linux	PowerPC	GCC
Linux	Alpha	GCC
Linux	Itanium (IA-64)	GCC
HP-UX	Itanium (IA-64)

Типи даних

Прості типи

Цілі числа довільної розрядності	iрозрядність	i1 — булеве значення — 0 або 1 i32 — 32-розрядне ціле i17 i256
Генерація машинного коду для типів дуже великої розрядності не підтримується. Наприклад, для x86 вам доведеться обмежитись i64, а для x86-64 та інших 64-розрядних платформ — 128-бітними цілими. Але для проміжного представлення ніяких обмежень нема. Числа вважаються представленими у додатковому коді. На рівні типів різниці між знаковими і беззнаковими цілими не існує: у тих випадках, коли це має значення, з ними працюють різні інструкції.
Числа з рухомою комою	float, double, типи, специфічні для конкретної платформи (наприклад, x86_fp80)
Пусте значення	void

Похідні типи

Вказівники	тип*	i32* — вказівник на 32-бітне ціле
Масиви	[число елементів x тип]	[10 x i32] [8 x double]
Структури		{ i32, i32, double }
Вектор — спеціальний тип для спрощення SIMD-операцій. Вектор складається із 2^n значень примітивного типу — цілого або з плаваючою крапкою.
	< число елементів x тип >	< 4 x float > — вектор XMM
Функції		i32 (i32, i32) float ({ float, float }, { float, float })

Система типів рекурсивна, тобто можна використовувати багатовимірні масиви, масиви структур, вказівники на структури і функції і т. д.

Операції

Більшість інструкцій у LLVM приймають два аргументи (операнда) і вертають одне значення (триадресний код). Значення визначаються текстовим ідентифікатором. Локальні значення позначаються префіксом %, а глобальні — @. Локальні значення також називають регістрами, а LLVM — віртуальною машиною з нескінченним числом регістрів. Приклад:

%sum = add i32 %n, 5 %diff = sub double %a, %b %z = add <4 x float> %v1, %v2 — поелементне додавання %cond = icmp eq %x, %y — Порівняння цілих чисел. Результат має тип i1 %success = call i32 @puts(i8* %str)

Тип операндів завжди вказується явно, і однозначно визначає тип результату. Операнди арифметичних інструкцій повинні мати однаковий тип, але самі інструкції «перевантажені» для будь-яких числових типів і векторів.

LLVM підтримує повний набір арифметичних операцій, побітових логічних операцій і операцій зсуву, а також спеціальні інструкції для роботи з векторами.

LLVM IR строго типізований, тому існують операції приведення типів, які явно кодуються спеціальними інструкціями. Набір із 9 інструкцій покриває всі можливі приведення між різними числовими типами: цілими і з рухомою комою, із знаком і без, різної розрядності і т.п. Крім цього є інструкції перетворення між цілими і вказівниками, а також інструкція bitcast, яка приведе все до всього, але за результат ви відповідаєте самі.

Пам’ять

Крім значень-регістрів, у LLVM є і робота із пам’яттю. Значення в пам’яті адресуються типізованими вказівниками. Звернутися до пам’яті можна за допомогою двох інструкцій: load і store. Наприклад:

%x = load i32* %x.ptr — отримати значення типу i32 по вказівнику %x.ptr %tmp = add i32 %x, 5 — додати 5 store i32 %tmp, i32* %x.ptr — і повернути назад

Інструкція malloc транслюється у виклик однойменної системної функції і виділяє пам’ять у купи, повертаючи значення — вказівник визначеного типу. У парі з нею йде інструкція free.

%struct.ptr = malloc { double, double } %string = malloc i8, i32 %length %array = malloc [16 x i32] free i8* %string

Інструкція alloca виділяє пам’ять на стеку.

%x.ptr = alloca double — %x.ptr має тип double* %array = alloca float, i32 8 — %array має тип float*, а не [8 x float]!

Пам’ять, виділена alloca, автоматично звільняється при виході із функції за допомогою інструкцій ret або unwind.

Супутні проєкти

З проєктів, заснованих на LLVM, що розвиваються паралельно, можна відзначити:

KLEE [ 25 грудня 2012 у Wayback Machine.] - символьний аналізатор і генератор тестових наборів;
Runtime-бібліотека compiler-rt [ 6 липня 2009 у Wayback Machine.];
llvm-mc [ 15 січня 2013 у Wayback Machine.] - автогенератор асемблера, дизасемблера та інших, пов'язаних з машинним кодом компонентів, на основі описів параметрів LLVM-сумісних платформ.
VMKit [ 9 листопада 2020 у Wayback Machine.] - віртуальна машина для Java і .NET;
Реалізація функційної мови програмування Pure^{[недоступне посилання з червня 2019]};
LDC [Архівовано 18 травня 2012 у WebCite] - компілятор для ;
- оптимізатор, статичний і JIT компілятор для мови PHP;
Віртуальні машини для Ruby: Rubinius [ 13 грудня 2015 у Wayback Machine.] і MacRuby [ 24 грудня 2012 у Wayback Machine.];
Unladen Swallow [ 10 лютого 2011 у Wayback Machine.] - реалізація мови Python;
LLVM-Lua [ 22 січня 2009 у Wayback Machine.]
FlashCCompiler [ 5 вересня 2012 у Wayback Machine.] - засіб для компіляції коду на мові Сі у вид, придатний для виконання у віртуальній машині Adobe Flash;
LLDB [1] [ 6 серпня 2012 у Wayback Machine.] - модульна інфраструктура зневадження, використовує такі підсистеми LLVM як API для дизасемблювання, Clang AST (Abstract Syntax Tree), парсер виразів, генератор коду і JIT-компілятор. LLDB підтримує зневадження багатонитевих програм на мовах C, Objective-C і ; відрізняється можливістю підключення плагінів і скриптів на мові Python; демонструє екстремально високу швидкодія при зневадженні програм великого розміру;
Emscripten [2] [ 20 березня 2017 у Wayback Machine.] - транскомпілятор біткоду LLVM в JavaScript, що дозволяє перетворити для запуску в браузері застосунки, спочатку написані на мові Сі. Наприклад, вдалося запустити Python, Lua, Quake, Freetype;
sparse-llvm^{[недоступне посилання з червня 2019]} —— бекенд, націлений на створення Сі-компілятора, здатного збирати ядро Linux.
Portable OpenCL — відкрита і незалежна реалізація стандарту OpenCL;
CUDA Compiler — дозволяє згенерувати GPU-інструкції з коду, написаного на мовах Сі, Сі++ та Fortran;
Julia — відкрита динамічна мова програмування, що використовує напрацювання проєкту LLVM.

Відзнаки

У 2010 Асоціація обчислювальної техніки (ACM), найавторитетніша міжнародна організація, в області комп'ютерних систем присудила проєкту LLVM премію за внесок у розвиток мов програмування (SIGPLAN Programming Languages Software Award). Премія присуджується за значний вплив на пов'язані з мовами програмування дослідження, реалізації технологій і інструменти.

Примітки

https://github.com/llvm/llvm-project/graphs/contributors?type=a
. Архів оригіналу за 26 листопада 2018. Процитовано 15 січня 2019.
LLVM: Frequently Asked Questions. Архів оригіналу за 13 липня 2013. Процитовано 23 грудня 2010.

Посилання

LLVM [ 3 травня 2004 у Wayback Machine.]
libJIT Linear Scan Register Allocator [Архівовано 12 лютого 2012 у WebCite]
Amy Brown and Greg Wilson (eds.). Chapter 11. LLVM (Chris Lattner) // The Architecture of Open Source Applications. — 2011. — P. 155-170. — .

[[https://github.com/llvm/llvm-project/graphs/contributors?type=a_https://github.com/llvm/llvm-project/graphs/contributors?type=a]<span_class="wef_low_priority_links"></span><div_style="display:none"></div>-1] ttps://github.com/llvm/llvm-project/graphs/contributors?type=a

[2] . Архів оригіналу за 26 листопада 2018. Процитовано 15 січня 2019.

[License-3] LLVM: Frequently Asked Questions. Архів оригіналу за 13 липня 2013. Процитовано 23 грудня 2010.