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Lecture: resurrect LLVM-IR lesson (#264)
Hatten wir früher mal als Überblick über LLVM-IR - da @bcg7 dieses Jahr wieder so einen Überblick geben will, sollte das File aus den Tiefen der Git-Historie wieder rausgefischt und im Readme.md verlinkt werden. Dann kann @bcg7 darauf weiter arbeiten. closes #263 --------- Co-authored-by: B.C. George <bc.george@fh-bielefeld.de>
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| Original file line number | Diff line number | Diff line change |
|---|---|---|
| @@ -0,0 +1,12 @@ | ||
| digraph "CFG for 'f' function" { | ||
| label="CFG for 'f' function"; | ||
|
|
||
| Node0x55c39ee69b80 [shape=record,color="#b70d28ff", style=filled, fillcolor="#b70d2870",label="{bb:\l %i = icmp sgt i64 %arg, %arg1\l br i1 %i, label %bb2, label %bb4\l|{<s0>T|<s1>F}}"]; | ||
| Node0x55c39ee69b80:s0 -> Node0x55c39ee69c30; | ||
| Node0x55c39ee69b80:s1 -> Node0x55c39ee69ca0; | ||
| Node0x55c39ee69c30 [shape=record,color="#3d50c3ff", style=filled, fillcolor="#f59c7d70",label="{bb2: \l %i3 = add nsw i64 1, 20\l br label %bb6\l}"]; | ||
| Node0x55c39ee69c30 -> Node0x55c39ee6a4b0; | ||
| Node0x55c39ee69ca0 [shape=record,color="#3d50c3ff", style=filled, fillcolor="#f59c7d70",label="{bb4: \l %i5 = add nsw i64 1, %arg1\l br label %bb6\l}"]; | ||
| Node0x55c39ee69ca0 -> Node0x55c39ee6a4b0; | ||
| Node0x55c39ee6a4b0 [shape=record,color="#b70d28ff", style=filled, fillcolor="#b70d2870",label="{bb6: \l %.0 = phi i64 [ %i3, %bb2 ], [ %i5, %bb4 ]\l ret i64 %.0\l}"]; | ||
| } |
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| Original file line number | Diff line number | Diff line change |
|---|---|---|
| @@ -0,0 +1 @@ | ||
| <mxfile host="app.diagrams.net" modified="2021-11-26T19:58:32.678Z" agent="5.0 (X11; Linux x86_64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/91.0.4472.164 Safari/537.36" etag="8XtzKbfFfksSlM463IJs" version="15.8.6" type="device"><diagram id="m6JEGxdE_mDFu569vAXz" name="Page-1">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</diagram></mxfile> |
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| Original file line number | Diff line number | Diff line change |
|---|---|---|
| @@ -0,0 +1 @@ | ||
| <mxfile host="app.diagrams.net" modified="2021-11-26T15:10:46.196Z" agent="5.0 (X11; Linux x86_64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/91.0.4472.164 Safari/537.36" etag="FL98ZvHm7KTgNXDTDXKF" version="15.8.6" type="device"><diagram id="Q6zoeQBmvapHs_SZyqo1" name="Page-1">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</diagram></mxfile> |
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| Original file line number | Diff line number | Diff line change |
|---|---|---|
| @@ -0,0 +1,234 @@ | ||
| --- | ||
| archetype: lecture-bc | ||
| title: "LLVM als IR" | ||
| author: "BC George (HSBI)" | ||
| readings: | ||
| - key: "LLVM-org" | ||
| - key: "LLVM-doc" | ||
| outcomes: | ||
| - k1: "Konzept von LLVM" | ||
| - k1: "Module von LLVM" | ||
| - k1: "SSA" | ||
| attachments: | ||
| - link: "https://raw.githubusercontent.com/Compiler-CampusMinden/AnnotatedSlides/master/llvm-ir.ann.ba.pdf" | ||
| name: "Annotierte Folien: LLVM-IR" | ||
| --- | ||
|
|
||
|
|
||
| # Motivation | ||
|
|
||
| ::: slides | ||
| ## Motivation | ||
| ::: | ||
|
|
||
| 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? | ||
|
|
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|
|
||
| ## Thema für heute: *Ein* Zwischencodeformat für verschiedene Programmiersprachen und Prozessoren | ||
|
|
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| :::notes | ||
| Hier entsteht ein Tafelbild. | ||
| ::: | ||
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| # LLVM - Ein Überblick | ||
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||
| ## Was ist LLVM? | ||
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| * **ursprünglich**: **L**ow **L**evel **V**irtual **M**achine | ||
| * 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 | ||
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|
|
||
| ## Was bringt uns das? | ||
|
|
||
| *n* Sprachen für *m* Architekturen übersetzen: | ||
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| * *n* Frontends entwickeln | ||
| * Optimierungen spezifizieren | ||
| * *m* Codegeneratoren spezifizieren | ||
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|
|
||
| statt *n x m* Compiler zu schreiben. | ||
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| ## Wer setzt LLVM ein? | ||
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| Adobe\ \ \ AMD\ \ \ Apple\ \ \ ARM\ \ \ Google | ||
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| IBM\ \ \ \ Intel\ \ \ \ Mozilla\ \ \ Nvidia\ \ \ Qualcomm | ||
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|
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| Samsung\ \ \ \ ... | ||
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|
|
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|
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| ## Externe LLVM-Projekte | ||
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||
| Für folgende Sprachen gibt es Compiler oder Anbindungen an LLVM (neben Clang): | ||
| \bigskip | ||
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|
||
| Crack\ \ \ Go\ \ \ Haskell\ \ \ Java\ \ \ Julia\ \ \ Kotlin | ||
|
|
||
| Lua\ \ \ Numba\ \ \ Python\ \ \ Ruby\ \ \ Rust\ \ \ Swift\ \ \ ... | ||
|
|
||
| \bigskip | ||
|
|
||
| Für weitere Projekte siehe [Projects built with LLVM](https://llvm.org/ProjectsWithLLVM/) | ||
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| ## Unterstützte Prozessorarchitekturen | ||
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||
| x86\ \ \ AMD64\ \ \ PowerPC\ \ \ PowerPC 64Bit\ \ \ Thumb | ||
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||
| SPARC\ \ \ Alpha\ \ \ CellSPU\ \ \ PIC16\ \ \ MIPS | ||
|
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|
||
| MSP430\ \ \ System z\ \ \ XMOS\ \ \ Xcore\ \ \ ... | ||
|
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||
| # Einige Komponenten von LLVM | ||
|
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||
| ## Einige Komponenten (Projekte) von LLVM | ||
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| * Der LLVM-Kern incl. Optimierer | ||
| * MLIR für IR-Dialekte | ||
| * Der Compiler Clang | ||
| * Die Compiler-Runtime-Bibliothek | ||
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| ## Der LLVM-Kern | ||
|
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||
| **LLVM Core**: Optimierer und Codegenerator für viele CPU- und auch GPU-Architekturen | ||
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| * 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 | ||
|
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| ## Wozu ein Optimierer? | ||
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||
| * zur Reduzierung der Codegröße | ||
| * zur Generierung von möglichst schnellem Code | ||
| * Zur Generierung von Code, der möglichst wenig Energie verbraucht | ||
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| # Allgegenwärtig in LLVM: Der Optimierer | ||
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| ## Der Optimierer in LLVM | ||
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| * 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 | ||
|
|
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||
| ## 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 | ||
|
|
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|
||
| ## 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 | ||
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| ## Der Compiler Clang | ||
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| **Clang**: schneller C/C++/Objective-C - Compiler auf Basis von LLVM mit aussagekräftigen | ||
| Fehlermeldungen und Warnungen | ||
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|  | ||
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| ## Die Sanitizer in der Compiler-Runtime-Bibliothek | ||
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| 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 | ||
|
|
||
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|
||
| # Wrap-Up | ||
|
|
||
| ::: slides | ||
| ## Wrap-Up | ||
| ::: | ||
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||
| LLVM ist eine (fast) komplette Infrastruktur zur Entwicklung von Compilern | ||
| und compilerähnlichen Programmen. | ||
|
|
||
| Die wichtigsten Bestandteile: | ||
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||
| * der Zwischencode LLVM IR | ||
| * der LLVM Optimierer | ||
| * der Codegenarator mit Sanitizern | ||
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| <!-- DO NOT REMOVE - THIS IS A LAST SLIDE TO INDICATE THE LICENSE AND POSSIBLE EXCEPTIONS (IMAGES, ...). --> | ||
| ::: slides | ||
| ## LICENSE | ||
|  | ||
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|
||
| Unless otherwise noted, this work is licensed under CC BY-SA 4.0. | ||
| ::: |
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