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LLVM IR

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Abstract

LLVM IR 的基本知识，包括 Phi、GEP 等基本指令，内容来自 2019 EuroLLVM Developers’ Meeting: V. Bridgers & F. Piovezan: LLVM IR Tutorial - Phis, GEPs and other things, oh my! - Vince Bridgers (Intel Corporation).

Introduction

LLVM IR: The LLVM Intermediate Representation.

  • IR Representation

    • Bitcode file *.bc

    • Human-readable file *.ll

      本文主要讨论这部分。*.bc 可以通过 llvm-dis 工具转换为 *.ll，*.ll 可以通过 llvm-as 工具转换为 *.bc。

    • In-memory representation

Simplified IR layout

这里的 []* 表示可以有 0 或者多个。

这里用三个示例程序来说明 LLVM IR 的基本结构。

Target Information

An IR module usually starts with a pair of strings describing the target:

A basic main program

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int factorial(int val);
int main(int argc, char** argv) 
{
    return factorial(2) * 7 == 42;
}

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declare i32 @factorial(i32)
define i32 @main(i32 %argc, i8** %argv) {
    %1 = call i32 @factorial(i32 2)
    %2 = mul i32 %1, 7
    %3 = icmp eq i32 %2, 42
    %result = zext i1 %3 to i32
    ret i32 %result
}
  • declare 表示函数的声明，@factorial 是函数名。
  • % Virtual Registers %
    • 这里有局部变量，分别用 Unnamed: %<number> 和 Named: %<name> 表示。e.g. %1 unnamed, %result named.
    • LLVM IR 里我们假设有无限多的寄存器。如何进行实际寄存器分配是由后面的阶段处理。
  • 强类型语言
    • 需要明确规定参数类型。
    • 指令需要明确规定期望得到的类型。e.g. call 指令期望得到 i32 类型的返回值。
    • 没有隐式类型转换。e.g. 将上面 %result = zext i1 %3 to i32 中的 zext 去掉，并将返回改为 ret i32 %3 会报错，因为 %i3 的类型是 i1 但是函数的返回值类型要求是i32 .
  • 指令会有很多变体 variants，可以参考 LangRef.

Recursive factorial

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// Precondition: val is non-negative.
int factorial(int val) {
    if (val == 0)
        return 1;
    return val * factorial(val - 1);
}

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; Precondition: %val is non-negative.
define i32 @factorial(i32 %val) {
entry:
    %is_base_case = icmp eq i32 %val, 0
    br i1 %is_base_case, label %base_case, label %recursive_case
base_case:
    ret i32 1
recursive_case:
    %1 = add i32 -1, %val
    %2 = call i32 @factorial(i32 %0)
    %3 = mul i32 %val, %1
    ret i32 %2
}
  • Basic Block: List of non-terminator instructions ending with a terminator instruction.
    • 其中终结符是一条指令，用来转移 control flow.
      • Branch - “br”
      • Return - “ret”
      • Switch – “switch”
      • Unreachable – “unreachable”
      • Exception handling instructions
    • 我们用 Control Flow Graph(CFG) 来表示后继关系。
    • 每个基本块在入口的地方都有一个 label，即使没有显式标出。e.g. 在上面的例子中如果去掉 entry: 会报错。因为去掉之后编译器会自动为我们填充一个 label %0，而这个 label 名与后面的寄存器 %0 名字冲突了。

Iterative factorial

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int factorial(int val) {
    int temp = 1;
    for (int i = 2; i <= val; ++i)
        temp *= i;
    return temp;
}

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define i32 @factorial(i32 %val) {
entry:
    %i = add i32 0, 2
    %temp = add i32 0, 1
    br label %check_for_condition
check_for_condition:
    %i_leq_val = icmp sle i32 %i, %val
    br i1 %i_leq_val, label %for_body, label %end_loop
for_body:
    %temp = mul i32 %temp, %i
    %i = add i32 %i, 1
    br label %check_for_condition
end_loop:
    ret i32 %temp
}

  • LLVM IR 要求满足 Static Single Assigment(SSA)，即每个变量只能被赋值一次，而且在使用前要先定义。

    • 在上面代码的第 10、11 行会报错，因为不符合 SSA 的要求。我们需要改为另外的变量 %new_temp 和 %i_plus_one。但这样会导致另一个问题：最后我们返回时无法选择返回的是 %temp 还是 %new_temp。

    • 为此我们需要使用 Phi 指令，作用是在基本块里基于之前的执行结果（控制流）选择值，格式如下： 

      <result> = phi <ty> [<val0>, <label0>], [<val1>, <label1>]...
      即我们从哪个 label 过来，就选择对应的 val。

      Example

      修改后的代码如下：

      可以看到对于 %temp，如果我们是从 entry 顺序执行到这里，那么 %temp 应该进行初始化，选择值 1；否则从 for_body 过来，说明我们要更新，选择值 `%new_temp。

    • 另一种解决 SSA 的办法：前端有时会生成另外的代码，通过读写内存来绕过对变量（寄存器）的多次读写。

      Note

      使用编译器时，可能观察到这样的现象：如果你不加任何优化 (-O0 )，那么编译器会生成很多的读写内存的指令，这是为了绕过 SSA 的限制。如果开启 -O1 优化，那么会生成使用 Phi 指令的代码。

  • 全局变量

    • They are always pointers, like the values returned by Allocas.

      指针表示，因此全局变量也可以用来解决 SSA 的问题（相当于读写内存地址）。

    • 命名前必须加上 @，显式标明类型，必须被初始化，要有 global 属性。如 @gv = global i8 42

      • 也可以使用 const 属性代替 global 属性。如 @gv = const i8 42。但需要注意的是 const 属性的全局变量不能被修改。

    • 全局变量是静态分配的，因此总是指针形式，而且是 const pointer（即指向的位置不能被修改），因此编译器可以推断出全局变量的地址。

  • To check if this is valid IR: opt –verify input.ll

    可以用来检查自己写的 IR 是否正确。

  • The optimizer can generate the CFG in dot format: opt –analyze –dot-cfg-only input.ll

    • -dot-cfg-only = Generate .dot files. Don’t include instructions.
    • opt –analyze –dot-cfg input.ll, 去掉 -only 选项可以得到更详细的图。

Type System and GEPs

根据 LLVM 语言参考手册，LLVM IR 有以下类型：

其中 First Class Types 表示可以由一条指令返回的类型。

Aggregate types: arrays

  • arrays 由一个固定的大小，元素类型，初始化方法来定义。如 @array = global [17 * i8] zeroinitializer 表示一个名为 @array 的数组，里面由 17 个元素，每个元素类型为 i8，初始值均为 0。

  • GEP(Get Element Pointer) 指令用来访问数组的元素。

    • GEP 用于计算指针地址，格式如下： 

      <result> = getelementptr <ty>, <ty>* <ptrval>, [i32 <idx>]+

      这里第一个 <ty> 是第一个索引的基类型，<ptrcal> 是基地址，<idx> 是偏移（以基类型为单位）。

      Example

      这里基类型是 i32，因此 GEP 得到的是从 0 开始的第 3 个 i32。

    • 需要注意以下几点：

      • GEP 的偏移是以基类型为单位，而且不会改变结果指针的类型。

        Example

        这里的基类型是 [6 * i8]，因此当我们的偏移是 1 时，他会跳过当前数组的所有元素，返回一个未知元素的指针。

      • 可以使用 further indices 来获得 aggregate types(and vectors) 内的偏移。但是如果要改变指针的类型，需要去掉一层 aggregation。

        Example

        • Manipulating pointers

        • GEP with structs

      • GEPs 不会从内存里加载，即只能用于查找地址，不能剥离聚合。

        Example

        注意这里的 %new_ptr 是一个指向 [4 * i8]** 的指针，即指针的指针，因此我们需要使用 load 指令来获取真正的指针。

参考资料

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