编译原理

本文参考

前言

一般可以将编程语言分为两种，编译语言和直译式语言。

像C++,Objective C都是编译语言。编译语言在执行的时候，必须先通过编译器生成机器码，机器码可以直接在CPU上执行，所以执行效率较高。

像JavaScript,Python等都是直译式语言（脚本语言）。直译式语言不需要经过编译的过程，而是在执行的时候通过一个中间的解释器将代码解释为CPU可以执行的代码。所以，较编译语言来说，直译式语言效率低一些，但是编写的更灵活，也就是为啥JS大法好。

iOS开发目前的常用语言是：Objective和Swift。二者都是编译语言，换句话说都是需要编译才能执行的。二者的编译都是依赖于Clang + LLVM. 篇幅限制，本文只关注Objective C，因为原理上大同小异。

可能会有同学想问，我不懂编译的过程，写代码也没问题啊？这点我是不否定的。但是，充分理解了编译的过程，会对你的开发大有帮助。本文的最后，会以以下几个例子，来讲解如何合理利用XCode和编译

  • __attribute__

  • Clang警告处理

  • 预处理

  • 插入编译期脚本

  • 提高项目编译速度

对于不想看我啰里八嗦讲一大堆原理的同学，可以直接跳到本文的最后一个章节。LLVM源码编译

三段式设计

编译主要步骤 1. 源代码（source code） -> 2. 预处理器（preprocessor） -> 3. 编译器（compiler） -> 4. 汇编程序（assembler） -> 5. 目标代码（object code） -> 6. 链接器（Linker） -> 7. 可执行文件（executables）

自己编译LLVM

废话不多说，直接进入正题😍

准备工作

Clang 需要用 CMake 和 Ninja 来编译，可以通过 Homebrew 安装

  • 安装 Homebrew

    /usr/bin/ruby -e "$(curl -fsSL https://raw.githubusercontent.com/Homebrew/install/master/install)"

  • 安装 CMake 3.12.4

    brew install cmake
brew link cmake

  • 安装 Ninja 1.8.2

    brew install ninja

    源码下载

    下载 LLVM (clang 9)

    git clone -b stable git@github.com:llvm-mirror/llvm.git llvm && git checkout -b peregrine ffe57b5e41b4027157dc01e8f9626b2e4be28eae
#cang 源码需要安装到 llvm/tools 目录下
git clone -b peregrine git@github.com:BinaryParadise/clang.git llvm/tools/clang

源码编译

在 llvm 同级目录下新建一个 llvm_build 目录，然后选择编译方式

1. 使用 Ninja 编译

mkdir llvm_build && cd llvm_build
cmake -G Ninja ../llvm -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=../llvm_release

# 执行编译，完成后llvm_build目录大概 21 GB
ninja
# [可选]执行安装，完成后llvm_release大概 12 GB
ninja install

2. 使用 Xcode 编译

mkdir llvm_xcode && cd llvm_xcode
cmake -G Xcode $MLLVM_HOME -DCMAKE_BUILD_TYPE:STRING=MinSizeRel -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=../llvm_release && open LLVM.xcodeproj

选择自动创建schemes，选择targetALL_BUILD，然后开始漫长的编译预计1500s

出现以下错误时，可能是权限导致，加上sudo再次尝试编译

Detecting C compiler ABI info - failed

编译成功后将权限还原到默认

sudo chown -R $(whoami) .

安装

#生成makefile
cmake -G "Unix Makefiles" -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release –enable-optimized -DLLVM_TARGETS_TO_BUILD="X86" -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=llvm_release ../llvm

#编译和安装，8表示并发编译数
make -j 8
make install

iOS编译

Objective C采用Clang(swift采用swift)作为编译器前端，LLVM(Low level vritual machine)作为编译器后端。

简单的编译过程如图

编译器前端

编译器前端的任务是进行：语法分析，语义分析，生成中间代码(intermediate representation )。在这个过程中，会进行类型检查，如果发现错误或者警告会标注出来在哪一行。

编译器后端

编译器后端会进行机器无关的代码优化，生成机器语言，并且进行机器相关的代码优化。iOS的编译过程，后端的处理如下

  • LVVM优化器会进行BitCode的生成，链接期优化等等。

  • LLVM机器码生成器会针对不同的架构，比如arm64等生成不同的机器码。

编译过程

  • 编译信息写入辅助文件，创建文件架构 .app 文件

  • 处理文件打包信息

  • 执行 CocoaPod 编译前脚本，checkPods Manifest.lock

  • 编译.m文件，使用 CompileC 和 clang 命令

  • 链接需要的 Framework

  • 编译 xib

  • 拷贝 xib ，资源文件

  • 编译 ImageAssets

  • 处理 info.plist

  • 执行 CocoaPod 脚本

  • 拷贝标准库

  • 创建 .app 文件和签名

预处理&词法分析

  • 替换宏定义

  • 头文件的导入

  • 编译条件

  • 把代码细拆分成最小的Token（包含代码位置），如大小括号，

    等于号还有字符串等

clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m

语法分析

  • 验证语法是否正确

  • 将所有节点生成AST

clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m

中间代码IR

  • CodeGen 会负责将AST自上而下递归遍历翻译成 LLVM IR

  • IR 是编译过程的前端输出,后端的输入

clang -fmodules -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o main.ll

编译优化

  • LLMV在编译时会做些优化，Xcode编译设置中可设置级别

  • 开启Bitcode会进一步优化

  • Pass 是LLVM优化的一个节点，可以自定义

clang -emit-llvm -c main.m -o main.bc

生成汇编

clang -s -fobjc-arc main.m -o main.s

生成目标

clang -fmodules -c main.m -o main.o

生成可执行文件

clang main.o -o main

执行

./main
# 输出内容
starming rank 14
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