LLVM

是一套编译器基础设施项目，为自由软件，以C++寫成，包含一系列模块化的编译器组件和工具链，用来开发编译器前端和后端。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”进行的最佳化。

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字节码、Objective-C、Swift、Python、Ruby、、Rust、Scala、Standard ML以及C#等语言。

 历史 

LLVM專案的發展起源於2000年伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的維克拉姆·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授權來發展的开源軟體。2005年，蘋果電腦雇用了克里斯·拉特納及他的團隊為蘋果電腦開發應用程式系統Adam Treat, ''mkspecs and patches for LLVM compile of Qt4 ，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（）的首字母縮寫，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，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，计算机协会於2012年将ACM软件系统奖授與維克拉姆·艾夫、克里斯·拉特納和Evan Cheng。

自9.0.0版本开始，LLVM使用带有LLVM额外条款的Apache许可证2.0进行授权。而从2019年10月开始，LLVM项目的代码托管正式迁移到了GitHub。

 描述 
LLVM提供了一套适合编译器系统的中间表示（，IR），有大量变换和优化都围绕其实现。经过变换和优化后的中间语言，可以转换为目标平台相关的汇编语言代码。LLVM可以和GCC工具链一起工作，允许它与为该项目编写的大量现有编译器一起使用。

LLVM还可以在编译、链接时生成（Relocatable Code），甚至在运行时生成二进制机器码。

LLVM支援與語言無關的指令集架構及類型系統。每個指令都處在静态单赋值形式（SSA）下代表著，每個變數（被稱為具有型別的暫存器）僅被賦值一次，這簡化了變數間相依性的分析。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編譯成機器碼。

LLVM的型別系統包含基本型別（整數或是浮点数）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中用基本型別的组合來表示，舉例來說，C++所使用的类，可以被表示為結構、函數和函数指针的陣列的混合。

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，當硬體不支援某個功能時依然可以被成功地運作。

OpenGL堆栈下的繪圖程式被編譯為中间表示，接著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將會編譯更多的程序，使這段GPU無法執行的指令在本地端的中央处理器執行。LLVM增進了使用Intel GMA晶片等低端機器的效能。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Michael Larabel, "GNOME Shell Works Without GPU Driver Support" , phoronix, 6 November 2011。

根據2011年的一项測試，GCC在執行時期的性能平均比LLVM高10%。而2013年測試显示，LLVM可以編譯出接近GCC相同效能的執行碼。

 组件 
LLVM已经成为多个编译器和代码生成相关子项目的母项目。
 前端 
LLVM最初被用來取代GCC中的程式碼產生器，許多GCC的前端已經可以與其運行，LLVM目前支援Ada、C语言、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持，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，他較為容易與集成开发环境（IDE）整合，而且對於线程有更好的支援。Clang从3.8版本开始已经支持OpenMP。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
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

還有其他的元件在不同的開發階段，包含（但不限於）Java字节码 VMKit 目前的开发已经停滞，并且只支持和 LLVM 3.3 协同编译。对更高版本的 LLVM，需要对源码做一些修改。VMKit 在编译时需要 LLVM 源码中的lib, include。、通用中间语言（CIL）、（Ruby 1.9實現）、Standard ML及新的图着色寄存器分配器。

 中间表示 

LLVM的核心是中间表示（，IR），一种类似汇编的底层语言。IR是一种强类型的精简指令集（RISC），并对目标指令集进行了抽象。例如，目标指令集的函数调用惯例被抽象为call和ret指令加上明确的参数。另外，IR采用无限个数的暂存器，使用如%0，%1等形式表达。LLVM支持三种表达形式：人类可读的汇编格式，适合前端的在内存中的格式和用作序列化的紧密bitcode格式。

例如，一个简单的Hello World程序可以表达为如下的汇编形式。对IR语言的完整描述请参考LLVM官方文档.：

@.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计划还介入了另一种类型的中间表示名为，它通过采用叫做“方言”的插件架构来帮助建造可重用且可扩展的编译器下部构造。

 后端 
截至版本16，LLVM已经支持多种后端指令集，包括IA-32、x86-64、ARM、Qualcomm Hexagon、LoongArch、M68K、MIPS、Nvidia （在LLVM文档中也称为NVPTX）、PowerPC、AMD 、新近的AMD GPU（在LLVM文档中也叫做AMDGPU）、SPARC、SystemZ、RISC-V、和。

LLVM还支持WebAssembly为其目标，使得编译后的程序可以在启用WebAssembly的环境中运行，比如Google Chrome/Chromium、Firefox、Microsoft Edge、Apple Safari或WAVM虚拟机。合规于LLVM的WebAssembly编译器，典型的支持多种语言的几乎不需修改的源代码，包括：C、C++、D、Rust、Nim、Kotlin和其它一些语言。

LLVM包含一个专门的MC模块，将机器指令在文字形式和机器码形式间相互转换。在之前LLVM依靠系统或是平台专门的工具链将汇编翻译为机器码。LLVM机器码的集成汇编器已经支持绝大多数LLVM的目标平台。

 链接器 

lld链接器子项目旨在为LLVM开发一个内置的，平台独立的链接器，去除对所有第三方链接器的依赖。在2017年5月，lld已经支持ELF、PE/COFF、Mach-O和WebAssembly。在lld支持不完全的情况下，用户可以使用其他项目，如GNU ld链接器。
lld支持链接时优化。当LLVM链接时优化被启用时，LLVM可以输出bitcode而不是本机代码，而本机代码生成由链接器优化处理。

 C++标准库 

LLVM项目包含一个C++标准库的实现（libcxx），具有MIT许可证和的双许可协议。

 另見 

 Clang C/C++編譯器
 GNU lightning
 GNU Compiler Collection（GCC）
 OpenGL

 參考文獻 

 外部連結 
 LLVM計劃官方網站
 LLVM Project Blog
 LLVM: A Compilation Framework for Lifelong Program Analysis & Transformation —a published paper by Chris Lattner and Vikram Adve.
 LLVM Language Reference Manual —describes the LLVM intermediate representation.
 LLVM 2.0 Presentation —Google Tech Talk Presentation on LLVM 2.0
 Discussion of LLVM  by John Siracusa at Ars Technica
 LLVM內部結構（The Architecture of Open Source Applications, Volume II - ISBN 9781105571817）
 LLVMLinux專案

L
L
L
L
Category:自由編譯器與直譯器