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llvm-ir.md

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LLVM als IR
BC George (HSBI)
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LLVM-org
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LLVM-doc
k1
Konzept von LLVM
k1
Module von LLVM
k1
SSA

Motivation

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Motivation

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Es ist ein neuer Prozessor entwickelt worden mit einem neuen Befehlssatz, und es sollen für zwei Programmiersprachen Compiler entwickelt werden, die diesen Befehlssatz als Ziel haben.

Was tun?

Thema für heute: Ein Zwischencodeformat für verschiedene Programmiersprachen und Prozessoren

:::notes Hier entsteht ein Tafelbild. :::

LLVM - Ein Überblick

Was ist LLVM?

  • ursprünglich: Low Level Virtual Machine
  • Open-Source-Framework
  • zur modularen Entwicklung von Compilern u. ä.
  • für Frontends für beliebige Programmiersprachen
  • für Backends für beliebige Befehlssatzarchitekturen

"Macht aus dem Zwischencode LLVR IR automatisch Maschinencode oder eine VM."

Kernstücke des LLVM:

  • ein virtueller Befehlssatz
  • ein virtuelle Maschine
  • LLVM IR: eine streng typisierte Zwischensprache
  • ein flexibel konfigurierbarer Optimierer
  • ein Codegenerator für zahlreiche Architekturen
  • LMIR: mit Dialekten des IR arbeiten

Was kann man damit entwickeln?

  • Debugger
  • JIT-Systeme (virtuelle Maschine)
  • AOT-Compiler
  • virtuelle Maschinen
  • Optimierer
  • Systeme zur statischen Analyse
  • etc.

mit entkoppelten Komponenten, die über APIs kommunizieren (Modularität)

Wie arbeitet man damit?

  • (mit Generatoren) ein Frontend entwickeln, das Programme über einen AST in LLVM IR übersetzt
  • mit LLVM den Zwischencode optimieren
  • mit LLVM Maschinencode oder VM-Code generieren

Was bringt uns das?

n Sprachen für m Architekturen übersetzen:

  • n Frontends entwickeln
  • Optimierungen spezifizieren
  • m Codegeneratoren spezifizieren

statt n x m Compiler zu schreiben.

Wer setzt LLVM ein?

Adobe\ \ \ AMD\ \ \ Apple\ \ \ ARM\ \ \ Google

IBM\ \ \ \ Intel\ \ \ \ Mozilla\ \ \ Nvidia\ \ \ Qualcomm

Samsung\ \ \ \ ...

Externe LLVM-Projekte

Für folgende Sprachen gibt es Compiler oder Anbindungen an LLVM (neben Clang): \bigskip

Crack\ \ \ Go\ \ \ Haskell\ \ \ Java\ \ \ Julia\ \ \ Kotlin

Lua\ \ \ Numba\ \ \ Python\ \ \ Ruby\ \ \ Rust\ \ \ Swift\ \ \ ...

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Für weitere Projekte siehe Projects built with LLVM

Unterstützte Prozessorarchitekturen

x86\ \ \ AMD64\ \ \ PowerPC\ \ \ PowerPC 64Bit\ \ \ Thumb

SPARC\ \ \ Alpha\ \ \ CellSPU\ \ \ PIC16\ \ \ MIPS

MSP430\ \ \ System z\ \ \ XMOS\ \ \ Xcore\ \ \ ...

Einige Komponenten von LLVM

Einige Komponenten (Projekte) von LLVM

  • Der LLVM-Kern incl. Optimierer
  • MLIR für IR-Dialekte
  • Der Compiler Clang
  • Die Compiler-Runtime-Bibliothek

Der LLVM-Kern

LLVM Core: Optimierer und Codegenerator für viele CPU- und auch GPU-Architekturen

  • Optimierer arbeitet unabhängig von der Zielarchitektur (nur auf der LLVM IR)
  • sehr gut dokumentiert
  • verwendete Optimierungspässe fein konfigurierbar
  • Optimierer auch einzeln als Tool opt aufrufbar
  • wird für eigene Sprachen als Optimierer und Codegenerator eingesetzt

Wozu ein Optimierer?

  • zur Reduzierung der Codegröße
  • zur Generierung von möglichst schnellem Code
  • Zur Generierung von Code, der möglichst wenig Energie verbraucht

Allgegenwärtig in LLVM: Der Optimierer

Der Optimierer in LLVM

  • Teil von LLVM Core
  • kann zur Compilezeit, Linkzeit und Laufzeit eingesetzt werden
  • nutzt auch Leerlaufzeit des Prozessors
  • läuft in einzelnen unabhängig konfigurierbaren Pässen über den Code

Einige Optimierungen in LLVM

  • Dead Code Elimination
  • Aggressive Dead Code Elimination
  • Dead Argument Elimination
  • Dead Type Elimination
  • Dead Instruction Elimination
  • Dead Store Elimination
  • Dead Global Elimination

MLIR

  • Framework zur Definition eigener Zwischensprachendialekte
  • zur high-level Darstellung spezieller Eigenschaften der zu übersetzenden Sprache
  • erleichtert die Umsetzung des AST in Zwischencode
  • z. B. für domänenspezifische Sprachen (DSLs)
  • z. B. für bestimmte Hardware
  • mehrere Abstraktionen gleichzeitig benutzbar

Der Compiler Clang

Clang: schneller C/C++/Objective-C - Compiler auf Basis von LLVM mit aussagekräftigen Fehlermeldungen und Warnungen

Die Sanitizer in der Compiler-Runtime-Bibliothek

Sanitizer: Methoden zur Instrumentierung (Code der in das kompilierte Programm eingebettet wird) zur Erleichterung der Lokalisierung und Analyse verschiedenster Fehlerquellen, z. B.:

  • Speicherfehler und Speicherlecks (z. B. use-after-free)
  • Race Conditions
  • undefiniertes Verhalten (Overflows, Benutzung von Null-Pointern)
  • Benutzung von nicht-initialisierten Variablen

Wrap-Up

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Wrap-Up

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LLVM ist eine (fast) komplette Infrastruktur zur Entwicklung von Compilern und compilerähnlichen Programmen.

Die wichtigsten Bestandteile:

  • der Zwischencode LLVM IR
  • der LLVM Optimierer
  • der Codegenarator mit Sanitizern

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LICENSE

Unless otherwise noted, this work is licensed under CC BY-SA 4.0. :::