LLVM
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| 原作者 | Chris Lattner, Vikram Adve |
|---|---|
| 開發者 | LLVM開發團隊 |
| 首次釋出 | 2003年 |
| 目前版本 | 23.1.5[1] （2026年11月3日） |
| 原始碼庫 | |
| 程式語言 | C++ |
| 作業系統 | 跨平台 |
| 類型 | 編譯器 |
| 特許條款 | 帶有LLVM例外的Apache特許條款2.0 |
| 網站 | www |
LLVM是一套編譯器基礎設施專案，為自由軟件，以C++寫成，包含一系列模組化的編譯器組件和工具鏈，用來開發編譯器前端和後端。任意一種程式語言通過它實作出來的編譯器，都能利用上它在編譯時期、鏈結時期、執行時期以及「閒置時期」進行的最佳化。
它最早以C/C++為實作對象，而目前它已支援包括ActionScript、Ada、D語言、Fortran、GLSL、Haskell、Java位元組碼、Objective-C、Swift、Python、Ruby、Crystal、Rust、Scala[2]、Standard ML[3]以及C#[4]等語言。
歷史
[編輯]LLVM專案的發展起源於2000年伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的維克拉姆·艾夫（Vikram Adve）與克里斯·拉特納（Chris Lattner）的研究，他們想要為所有靜態及動態語言創造出動態的編譯技術。LLVM是以BSD特許來發展的開源軟件。2005年，蘋果電腦僱用了克里斯·拉特納及他的團隊為蘋果電腦開發應用程式系統[5]，LLVM為現今macOS及iOS開發工具的一部分。
LLVM的命名最早源自於底層虛擬機器（Low Level Virtual Machine）的首字母縮寫[6]，由於這個專案的範圍並不侷限於建立一個虛擬機器，這個縮寫導致了廣泛的疑惑。LLVM開始成長之後，成為眾多編譯工具及低階工具技術的統稱，使得這個名字變得更不貼切，開發者因而決定放棄這個縮寫的意涵[7]，現今LLVM已單純成為一個系統，適用於LLVM下的所有專案，包含LLVM中間表示（LLVM IR）、LLVM除錯工具、LLVM C++標準函式庫等。
因LLVM對產業的貢獻，電腦協會於2012年將ACM軟件系統獎授與維克拉姆·艾夫、克里斯·拉特納和Evan Cheng[8]。
自9.0.0版本開始，LLVM使用帶有LLVM額外條款的Apache特許條款2.0進行授權[9]。而從2019年10月開始，LLVM專案的代碼寄存正式遷移到了GitHub[10]。
| 程式執行 |
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| 基礎概念 |
| 代碼類型 |
| 編譯策略 |
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| 知名執行環境 |
| 著名編譯器及工具鏈 |
描述
[編輯]LLVM提供了一套適合編譯器系統的中間表示（Intermediate Representation，IR），有大量變換和最佳化都圍繞其實現。經過變換和最佳化後的中間語言，可以轉換為目標平台相關的匯編語言代碼。LLVM可以和GCC工具鏈一起工作，允許它與為該專案編寫的大量現有編譯器一起使用。
LLVM還可以在編譯、連結時生成可重定位代碼（Relocatable Code），甚至在執行時生成二進制機械碼。
LLVM支援與語言無關的指令集架構及類型系統[11]。每個指令都處在靜態單賦值形式（SSA）下代表着，每個變量（被稱為具有型別的暫存器）僅被賦值一次，這簡化了變量間相依性的分析。LLVM允許程式碼遵循傳統GCC系統的方式而被靜態的編譯，或者以類似JAVA等後期編譯的方式，通過即時編譯（JIT）將IF編譯成機械碼。
LLVM的型別系統包含基本型別（整數或是浮點數）及五個複合型別（指標、陣列、向量、結構及函數），具體語言的型別，可以在LLVM中用基本型別的組合來表示，舉例來說，C++所使用的類，可以被表示為結構、函數和函數指標的陣列的混合。
LLVM JIT編譯器可以最佳化程式在執行期之時去除所不需要的靜態分支，這在一些部份求值（Partial Evaluation）的案例中相當有效，即當程式有許多選項，而在特定環境下其中多數可被判斷為是不需要的。這個特色被使用在Mac OS X Leopard（v10.5）底下OpenGL的管線化，當硬件不支援某個功能時依然可以被成功地運作[12]。
OpenGL堆疊下的繪圖程式被編譯為中間表示，接着在機器上執行時被編譯，當系統擁有高階GPU時，這段程式會進行極少的修改並將傳遞指令給GPU，當系統擁有低階的GPU時，LLVM將會編譯更多的程式，使這段GPU無法執行的指令在本地端的中央處理器執行。LLVM增進了使用Intel GMA晶片等低階機器的效能。一個類似的系統發展於Gallium3D LLVMpipe，它已被合併到GNOME，使其可運行在沒有GPU的環境[13]。
根據2011年的一項測試，GCC在執行時期的效能平均比LLVM高10%[14][15]。而2013年測試顯示，LLVM可以編譯出接近GCC相同效能的執行碼[16]。
組件
[編輯]LLVM已經成為多個編譯器和代碼生成相關子專案的母專案。
前端
[編輯]LLVM最初被用來取代GCC中的程式碼產生器[17]，許多GCC的前端已經可以與其運行，LLVM目前支援Ada、C語言、C++、D語言、Fortran、Haskell、Julia、Objective-C、Rust及Swift的編譯，它使用許多的編譯器，有些來自4.0.1及4.2的GCC。
LLVM引發一些人來為許多語言開發新的編譯器，其中一個最引發注意的就是Clang，它是一個新的編譯器，同時支援C、Objective-C以及C++。主要來自蘋果電腦的支援，Clang的目的用以取代GCC系統底下的C/Objective-C編譯器，在當代的系統，他較為容易與整合式開發環境（IDE）整合，而且對於線程有更好的支援。Clang從3.8版本開始已經支援OpenMP[18]。GCC底下Objective-C的開發已經停滯，而蘋果電腦已經將其支援移至其他的維護分支。
Utrecht Haskell編譯器可以產生LLVM使用的程式碼，但它還在初期的開發階段，並且在許多案例，展示他比起C程式碼產生器擁有更好的效率[19] Glasgow Haskell Compiler（GHC）擁有一個可以運作的LLVM後端，程式執行效能對比起原先的編譯器可以達到30%的加速，它僅比一個由GHC所實現，並擁有多項最佳化技術的編譯器還慢[20]
還有其他的元件在不同的開發階段，包含（但不限於）Java位元組碼[21]、通用中間語言（CIL）、MacRuby（Ruby 1.9實現）、Standard ML及新的圖着色暫存器分配器[22]。
中間表示
[編輯]LLVM的核心是中間表示（Intermediate Representation，IR），一種類似組譯的底層語言。IR是一種強型別的精簡指令集（RISC），並對目標指令集進行了抽象。例如，目標指令集的函數呼叫慣例被抽象為call和ret指令加上明確的參數。另外，IR採用無限個數的暫存器，使用如%0，%1等形式表達。LLVM支援三種表達形式：人類可讀的組譯格式，適合前端的在主記憶體中的格式和用作序列化的緊密bitcode格式。
例如，一個簡單的Hello World程式可以表達為如下的組譯形式。對IR語言的完整描述請參考LLVM官方文件[23]：
@.str = internal constant [14 x i8] c"hello, world\0A\00"
declare i32 @printf(i8*, ...)
define i32 @main(i32 %argc, i8** %argv) nounwind {
entry:
%tmp1 = getelementptr [14 x i8], [14 x i8]* @.str, i32 0, i32 0
%tmp2 = call i32 (i8*, ...) @printf( i8* %tmp1 ) nounwind
ret i32 0
}
LLVM計劃還介入了另一種類型的中間表示名為MLIR[24]，它通過採用叫做「方言」的外掛程式架構來幫助建造可重用且可延伸的編譯器下部構造[25]。
後端
[編輯]截至版本16，LLVM已經支援多種後端指令集，包括IA-32、x86-64、ARM、Qualcomm Hexagon、LoongArch、M68K、MIPS、Nvidia PTX（在LLVM文件中也稱為NVPTX）、PowerPC、AMD TeraScale[26]、新近的AMD GPU（在LLVM文件中也叫做AMDGPU）、SPARC、SystemZ、RISC-V、z/Architecture和XCore。
LLVM還支援WebAssembly為其目標，使得編譯後的程式可以在啟用WebAssembly的環境中執行，比如Google Chrome/Chromium、Firefox、Microsoft Edge、Apple Safari或WAVM虛擬機器[27]。合規於LLVM的WebAssembly編譯器，典型的支援多種語言的幾乎不需修改的原始碼，包括：C、C++、D、Rust、Nim、Kotlin和其它一些語言。
LLVM包含一個專門的MC模組，將機器指令在文字形式和機械碼形式間相互轉換。在之前LLVM依靠系統或是平台專門的工具鏈將組譯翻譯為機械碼。LLVM機械碼的整合組譯器已經支援絕大多數LLVM的目標平台。
連結器
[編輯]lld連結器子專案旨在為LLVM開發一個內置的，平台獨立的連結器[28]，去除對所有第三方連結器的依賴。在2017年5月，lld已經支援ELF、PE/COFF、Mach-O和WebAssembly。在lld支援不完全的情況下，用戶可以使用其他專案，如GNU ld連結器。 lld支援連結時最佳化。當LLVM連結時最佳化被啟用時，LLVM可以輸出bitcode而不是本機代碼，而本機代碼生成由連結器最佳化處理。
C++標準庫
[編輯]LLVM專案包含一個C++標準庫的實現（libcxx），具有MIT特許條款和UIUC特許條款的雙特許條款。[29]
另見
[編輯]
參考文獻
[編輯]- ^ LLVM 23.1.5. 2026年11月3日 [2026年11月3日].
- ^ Reedy, Geoff. Compiling Scala to LLVM. St. Louis, Missouri, United States. 2012-09-24 [2013-02-19]. （原始內容存檔於2020-11-29）.
- ^ Standard ML of New Jersey Release Notes Version 2021.1. [2025-07-07]. （原始內容存檔於2026-03-06）.
The MLRISC code generator that we have used for over 25 years has been replaced with one based on the LLVM Libraries.
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- ^ Chris Lattner discusses the name LLVM. [22 December 2011]. （原始內容存檔於2012年1月12日）.
- ^ ACM Awards. ACM. [2013-04-28]. （原始內容存檔於2012-04-02）.
- ^ LLVM 9.0.0 License. [2020-11-14]. （原始內容存檔於2020-11-11）.
- ^ Migration Proposal. [2020-11-14]. （原始內容存檔於2020-11-25）.
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- ^ Michael Larabel. LLVM/Clang 3.2 Compiler Competing With GCC. 27 December 2012 [31 March 2013]. （原始內容存檔於2020-11-30）.
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- ^ LLVM Project Blog: The Glasgow Haskell Compiler and LLVM. [13 August 2010]. （原始內容存檔於2011-06-25）.
- ^ Gaël Thomas; et al. VMKit: a substrate for virtual machines. LLVM.org. [2014-09-17]. （原始內容存檔於2020-11-09）. VMKit 目前的開發已經停滯，並且只支援和 LLVM 3.3 協同編譯。對更高版本的 LLVM，需要對原始碼做一些修改。VMKit 在編譯時需要 LLVM 原始碼中的
lib, include。 - ^ Jakob Stoklund Olesen. Register Allocation in LLVM 3 (PDF). [2025-07-07]. （原始內容存檔 (PDF)於2026-05-30）.
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- ^ "libc++" C++ Standard Library. [2020-09-26]. （原始內容存檔於2017-04-29）.
外部連結
[編輯]- LLVM計劃官方網站（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- LLVM Project Blog（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- LLVM: A Compilation Framework for Lifelong Program Analysis & Transformation （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）—a published paper by Chris Lattner and Vikram Adve.
- LLVM Language Reference Manual （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）—describes the LLVM intermediate representation.
- LLVM 2.0 Presentation （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）—Google Tech Talk Presentation on LLVM 2.0
- Discussion of LLVM （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） by John Siracusa at Ars Technica
- LLVM內部結構（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）（The Architecture of Open Source Applications, Volume II - ISBN 9781105571817）
- LLVMLinux專案