LLVM是一個(gè)非常具有啟發(fā)意義的軟件項(xiàng)目，它起始于Chris Lattner個(gè)人對(duì)編譯器的熱情。LLVM最初版本發(fā)行后出現(xiàn)的一系列事件以及后來被廣泛采用的經(jīng)歷也遵循了一種其他開源項(xiàng)目常見的成功發(fā)展模式：這些項(xiàng)目通常是人們對(duì)某個(gè)問題的強(qiáng)烈好奇心的產(chǎn)物，并非始于某個(gè)公司。例如，第一個(gè)Linux內(nèi)核的誕生源于一名芬蘭學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)領(lǐng)域的興趣，因而產(chǎn)生了強(qiáng)烈動(dòng)機(jī)去理解和實(shí)踐一個(gè)真正的操作系統(tǒng)應(yīng)該如何工作。
對(duì)于Linux或LLVM，許多程序員的貢獻(xiàn)使它們迅速成長為一流軟件，在質(zhì)量上可以與現(xiàn)有的任何其他競爭對(duì)手相媲美。因此，把任何一個(gè)大項(xiàng)目的成功歸功于特定個(gè)人是不公平的。無可否認(rèn)的是，在開源社區(qū)中，一個(gè)學(xué)生的軟件項(xiàng)目想要飛躍成為復(fù)雜且健壯的軟件需要一個(gè)關(guān)鍵因素：吸引那些愿意在該項(xiàng)目上花費(fèi)時(shí)間的貢獻(xiàn)者和程序員。
這樣的因素天然存在于充滿教育氣息的校園氛圍之中。教育的重要任務(wù)是教會(huì)學(xué)生理解任務(wù)的工作原理，因此對(duì)學(xué)生而言，他們可以在解開錯(cuò)綜復(fù)雜的機(jī)制并最終掌握它們的過程中享受到勝利的喜悅。伊利諾伊大學(xué)厄巴納–香檳分校（UIUC）的LLVM項(xiàng)目正是在這種環(huán)境下發(fā)展起來的，它既被用作研究原型，也被用作Lattner的碩士導(dǎo)師Vikram Adve講授編譯器課程的教學(xué)框架。學(xué)生們?yōu)樽畛醯腷ug排查做出了貢獻(xiàn)，這也為LLVM最終成為一個(gè)設(shè)計(jì)良好且易于學(xué)習(xí)的項(xiàng)目奠定了發(fā)展方向。
軟件理論和實(shí)踐之間的顯著差異使許多計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的學(xué)生感到困惑。計(jì)算理論中一個(gè)簡潔明了的概念可能涉及多層級(jí)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，這些細(xì)節(jié)使得現(xiàn)實(shí)中的軟件項(xiàng)目變得過于復(fù)雜而無法讓人們掌握，特別是其所有微妙之處。巧妙的抽象設(shè)計(jì)是幫助人類大腦掌握項(xiàng)目所有層面的關(guān)鍵：從高層級(jí)的視圖（抽象意義下的程序?qū)崿F(xiàn)和工作方式）到最低層級(jí)的細(xì)節(jié)。
理論與實(shí)踐之間的差異在編譯器這一軟件中尤為顯著。對(duì)學(xué)習(xí)編譯器工作原理有極大熱情的學(xué)生，在理解編譯器的實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)常常面臨艱巨的挑戰(zhàn)。盡管學(xué)校已經(jīng)教授了編譯器的相關(guān)理論，但在LLVM項(xiàng)目之前，如果充滿好奇心的學(xué)生要學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)真正的編譯器，GCC項(xiàng)目是少數(shù)開源選項(xiàng)之一。
然而從最純粹的意義上說，軟件項(xiàng)目反映的是其創(chuàng)建者的觀點(diǎn)。這些觀點(diǎn)通過跨多個(gè)組件對(duì)模塊和數(shù)據(jù)表示進(jìn)行抽象來實(shí)現(xiàn)。但對(duì)于同一主題，程序員可能有不同的看法。因此，對(duì)于GCC這樣已有近30年歷史的老舊軟件庫而言，其中集合了不同時(shí)代的程序員的不同觀點(diǎn)，這使得該軟件越來越難以被新程序員和好學(xué)者理解。
LLVM項(xiàng)目不僅吸引了經(jīng)驗(yàn)豐富的編譯器程序員，還吸引了許多年輕且具有好奇心的從事科研的學(xué)生，他們從中看到一片更干凈、更簡單的黑客土壤，它代表了一個(gè)具有很大潛力的編譯器。這一點(diǎn)可以從選擇LLVM作為研究原型的科學(xué)論文的龐大數(shù)量得到驗(yàn)證。學(xué)生們做出如此選擇的原因很簡單：在學(xué)術(shù)界，學(xué)生通常負(fù)責(zé)項(xiàng)目的具體實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)他們來說，掌握實(shí)驗(yàn)框架代碼庫對(duì)于研究是至關(guān)重要的。由于LLVM使用C++語言（而不是GCC中使用的C）、模塊化（而不是GCC的單一龐大結(jié)構(gòu)）以及更容易映射到現(xiàn)代編譯器理論的概念，因此，很多研究人員發(fā)現(xiàn)修改LLVM代碼以實(shí)現(xiàn)他們的科研想法是很容易的，并且有很多這方面成功的例子。LLVM在學(xué)術(shù)界的成功可以說是理論與實(shí)踐之間縮小差距的結(jié)果。
除了作為科研工作的實(shí)驗(yàn)框架之外，與GCC的GPL許可證相比，LLVM項(xiàng)目還有更加自由的許可證，因而引起了產(chǎn)業(yè)界的興趣。對(duì)于一個(gè)從學(xué)術(shù)界發(fā)展起來的項(xiàng)目，編寫其代碼的研究人員通常會(huì)擔(dān)心寫好的代碼在用于單獨(dú)的某個(gè)實(shí)驗(yàn)后遭遇被丟棄的命運(yùn)。為了克服這種局限性，在UIUC的碩士項(xiàng)目中，Chris Lattner決定根據(jù)伊利諾伊大學(xué)/NCSA開源許可協(xié)議對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行許可，該許可只要求保留版權(quán)聲明就允許包括商用目的在內(nèi)的使用。Chris的目標(biāo)是使LLVM被最大限度地采用，最終結(jié)果超出預(yù)期。2012年，LLVM榮獲ACM軟件系統(tǒng)獎(jiǎng)，這是對(duì)為科研做出杰出貢獻(xiàn)的軟件的高度認(rèn)可。
許多商業(yè)公司基于不同的需求使用LLVM項(xiàng)目，也為該項(xiàng)目做出不同的貢獻(xiàn)，擴(kuò)展了基于LLVM的編譯器可以使用的語言范圍以及能夠?yàn)槠渖�成代碼的機(jī)器范圍。最終，LLVM項(xiàng)目具備了前所未有的成熟的庫和工具，進(jìn)入了新的階段：從學(xué)術(shù)軟件的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，進(jìn)入被商業(yè)產(chǎn)品使用的健壯框架狀態(tài)。因此，項(xiàng)目的名稱也從低級(jí)虛擬機(jī)（Low Level Virtual Machine）更改為縮寫LLVM。
停用低級(jí)虛擬機(jī)的名稱，轉(zhuǎn)而使用LLVM，這一決定反映了該項(xiàng)目在不同時(shí)期的目標(biāo)。起初，LLVM是一個(gè)碩士科研項(xiàng)目，目標(biāo)是成為一個(gè)可以用于研究程序終身優(yōu)化的框架。相關(guān)工作成果發(fā)表在2003年MICRO（微體系結(jié)構(gòu)國際研討會(huì)）的一篇名為《LLVA: A Low-level Virtual Instruction Set Architecture》的論文以及2004年CGO（代碼生成和優(yōu)化國際研討會(huì)）的一篇名為《LLVM: A Compilation Framework for Lifelong Program Analysis & Transformation》的論文中。前者描述了LLVM的指令集，而后者對(duì)整個(gè)框架進(jìn)行了描述。
在學(xué)術(shù)環(huán)境之外，LLVM被廣泛用作一個(gè)設(shè)計(jì)良好的編譯器，它具有將中間表示寫入磁盤等有用的特性。在商業(yè)系統(tǒng)中，它從未真正像Java虛擬機(jī)（JVM）一樣被使用，因此繼續(xù)使用低級(jí)虛擬機(jī)名稱毫無意義。另一方面，其他一些奇怪的名字仍然作為LLVM的歷史遺產(chǎn)而存在。在磁盤文件中存儲(chǔ)的LLVM中間表示程序稱為LLVM位碼。位碼的名稱類似于Java的字節(jié)碼，但前者反映了LLVM中間表示所需的空間，與Java字節(jié)碼的含義不同。
我們編寫此書有雙重目的。首先，由于LLVM項(xiàng)目發(fā)展速度很快，我們希望將其循序漸進(jìn)地呈現(xiàn)給你，使本書的內(nèi)容盡可能簡單易懂，同時(shí)讓你享受使用功能強(qiáng)大的編譯器庫的樂趣。 其次，我們希望喚起你開源黑客的精神去探索超出本書的概念，永遠(yuǎn)不要停止擴(kuò)充知識(shí)的腳步。
祝你閱讀愉快！
本書包含的內(nèi)容
第1章介紹如何在Linux、Windows或Mac上安裝Clang / LLVM軟件包，包括有關(guān)在Visual Studio和Xcode上構(gòu)建LLVM的討論。本章還將介紹LLVM不同發(fā)行版的風(fēng)格，以便于你根據(jù)自身需要選擇最合適的發(fā)行版本：預(yù)構(gòu)建的二進(jìn)制文件、軟件分發(fā)包或源代碼。
第2章介紹包含于單獨(dú)的軟件包或倉庫中的外部LLVM項(xiàng)目，例如額外的Clang工具、DragonEgg GCC插件、LLVM調(diào)試器（LLDB）和LLVM測試套件。
第3章解釋LLVM項(xiàng)目中不同工具的組織形式，并通過一個(gè)實(shí)例介紹如何使用它們將源代碼編譯成匯編語言。本章還將介紹編譯器驅(qū)動(dòng)程序的工作原理，以及如何編寫你的第一個(gè)LLVM工具。
第4章介紹LLVM編譯器前端，即Clang項(xiàng)目。本章將一步一步地完整呈現(xiàn)前端涉及的所有步驟，同時(shí)還將解釋如何編寫調(diào)用前端不同功能的小程序。本章最后介紹如何使用Clang庫編寫一個(gè)小型編譯器驅(qū)動(dòng)程序。
第5章解釋LLVM設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵部分，即其中間表示（IR）。本章將解釋它的重要特點(diǎn)、語法、結(jié)構(gòu)以及如何編寫生成LLVM IR的工具。
第6章介紹LLVM的編譯器后端，它負(fù)責(zé)將LLVM IR轉(zhuǎn)換為機(jī)器代碼。本章將逐步介紹后端涉及的所有步驟，并介紹編寫自己的LLVM后端所需的知識(shí)。本章最后展示如何創(chuàng)建一個(gè)后端編譯流程。
第7章解釋LLVM即時(shí)編譯基礎(chǔ)架構(gòu)，它允許按需生成和執(zhí)行機(jī)器代碼。對(duì)于僅在運(yùn)行時(shí)才知道源程序代碼的應(yīng)用程序來說，此技術(shù)至關(guān)重要，例如Internet瀏覽器中的JavaScript解釋器。 本章將指導(dǎo)你使用正確的庫來創(chuàng)建自己的JIT編譯器。
第8章介紹如何使用Clang / LLVM在其他平臺(tái)（如基于ARM的平臺(tái)）下編譯程序。由于程序的最終運(yùn)行平臺(tái)和編譯平臺(tái)是不同的，其中的關(guān)鍵步驟在于配置正確的編譯環(huán)境。
第9章介紹一個(gè)功能強(qiáng)大的工具，該工具甚至無須運(yùn)行程序，直接通過分析代碼，即可查找大型源代碼庫中的錯(cuò)誤。本章還將介紹如何使用你自己的錯(cuò)誤檢查程序擴(kuò)展Clang靜態(tài)分析器。
第10章介紹LibTooling框架和一系列基于此庫構(gòu)建的Clang工具，這些工具可以幫助你方便地重構(gòu)源代碼或者進(jìn)行簡單的分析。本章最后將展示如何使用該框架編寫自己的C++源代碼重構(gòu)工具。
在撰寫本書時(shí)，LLVM 3.5尚未發(fā)布。雖然本書側(cè)重于LLVM 3.4版本，但我們計(jì)劃發(fā)布附錄將書中的示例更新為LLVM 3.5，這樣你就可以使用最新版本的LLVM來練習(xí)本書的內(nèi)容。該附錄將通過https://www.packtpub.com/sites/default/files/downloads/6924OS_Appendix.pdf提供。
閱讀本書需要的前提
要開始探索LLVM世界，可以使用UNIX系統(tǒng)、Mac OS X系統(tǒng)或Windows系統(tǒng)，只要它們配備現(xiàn)代C++編譯器即可。LLVM源代碼對(duì)所用的C++編譯器要求很高，因此我們建議讀者總是使用最新的C++版本。這意味著在Linux上至少需要GCC 4.8.1，在Max OS X上至少需要Xcode 5.1，在Windows上需要Visual Studio 2012。
盡管我們會(huì)解釋如何使用Visual Studio在Windows上構(gòu)建LLVM，但該平臺(tái)并不是本書的重點(diǎn)，因?yàn)槟承㎜LVM功能在該平臺(tái)上無法使用。例如，LLVM在Windows上缺少可加載模塊支持，但是我們要介紹的內(nèi)容包括如何編寫作為共享庫構(gòu)建的LLVM插件。在這種情況下，支持該內(nèi)容的唯一方法是使用Linux或Mac OS X。
如果讀者不想自己構(gòu)建LLVM，可以使用預(yù)構(gòu)建的二進(jìn)制包，但是這也限制了讀者能夠使用的平臺(tái)范圍。
本書目標(biāo)讀者
本書面向有興趣了解LLVM框架的編程愛好者、計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)學(xué)生和編譯器工程師。你需要有C++背景知識(shí)，盡管不是強(qiáng)制性的，但至少應(yīng)該了解一些編譯器理論。無論你是新手還是編譯專家，本書都提供了LLVM的實(shí)用介紹，并避免了過于復(fù)雜的場景。如果你對(duì)此技術(shù)感興趣或有需求，那么本書絕對(duì)適合你。
下載示例代碼
本書的示例代碼可以從http://www.packtpub.com通過個(gè)人賬號(hào)下載，也可以訪問華章圖書官網(wǎng)http://www.hzbook.com，通過注冊(cè)并登錄個(gè)人賬號(hào)下載。