LLVM Workshop Osaka Umeda, Japan

LLVM勉強会梅田2009年1月15日(金)

LLVM概要

Tatsuhiro Ujihisa

LLVM

The Low Level Virtual Machine (LLVM) is a compilerinfrastructure, written in C++, which is designed for compile-

time, link-time, run-time, and "idle-time" optimization ofprograms written in arbitrary programming languages. LLVM

was originally developed as a research infrastructure at theUniversity of Illinois at Urbana-Champaign to investigatedynamic compilation techniques for static and dynamic

programming languages...

http://en.wikipedia.org/wiki/Low_Level_Virtual_Machine

In short,

CのためのJVM

ただし、gccでコンパイルした実行可能ファイルより速く動く

(ことが多い)

最適化がスゴい (後述)

C言語のコードの実行方法

C → アセンブラ → 機械語 → 実行

$ vim a.c$ gcc a.c -S -o a.s$ gcc a.s -o a$ ./a

LLVMの実行方法 (1)

C → LLVMアセンブラ → LLVMビットコード → インタプリタで

実行

$ vim a.c$ llvm-gcc a.c -S -o a.ll$ llvm-as a.ll -o a.bc$ lli a.bc

LLVMの実行方法 (2)

C → LLVMアセンブラ → LLVMビットコード → 機械語 → 実行

$ vim a.c$ llvm-gcc a.c -S -o a.ll$ llvm-as a.ll -o a.bc$ llc a.bc -o a$ ./a

LLVMの実行方法 (3)

LLVMアセンブラ → LLVMビットコード → インタプリタで実行

$ vim a.ll$ llvm-as a.ll -o a.bc$ lli a.bc

LLVMの実行方法 (4)

LLVMアセンブラ → LLVMビットコード → 最適化 → インタプリ

タで実行

$ vim a.ll$ llvm-as a.ll -o a.bc$ opt a.bc -o a2.bc$ lli a2.bc

LLVMの実行方法 (5)

LLVMアセンブラ → LLVMビットコード → 最適化 → 最適化 → イ

ンタプリタで実行

$ vim a.ll$ llvm-as a.ll -o a.bc$ opt -O3 a.bc -o a2.bc$ opt -O3 a2.bc -o a3.bc$ lli a3.bc

LLVMの最適化の確認

逆アセンブル

$ llvm-as a.ll -o a.bc$ opt -O3 a.bc -o a2.bc$ opt -O3 a2.bc -o a3.bc$ llvm-dis a3.bc -o a3.ll$ vim a3.ll

整理

llvm-as: LLVMアセンブリ言語ファイル(.ll) から

LLVMビットコード(.bc)に変換

lli: LLVMビットコード(.bc)を実行

opt: LLVMビットコード(.bc)を最適化し、別のLLVM

ビットコード(.bc)を生成

llvm-dis: llvm-asの逆

llvm-gcc: C言語ファイル(.c)からLLVMアセンブリ

言語(.ll)に変換

LLVMアセンブリ言語でHello,world!

Hello, world!

@str = internal constant [14 x i8] c"Hello, world!\00"declare i32 @puts(i8*)define i32 @main(){ call i32 @puts( i8* getelementptr ([14 x i8]* @str, i32 0,i32 0)) ret i32 0}

LLVMアセンブリ言語の特徴

逐次処理

再代入禁止 (全ては定数)

Cの関数は大抵そのまま呼べる

ちなみに

VimのquickrunはLLVMアセンブリ言語対応済み

.llなファイルを編集中に<Space>rするだけでllvm-asとlliしてく

れる

LLVMの用途と目的

コンパイラを作る人のための道具。

新しいコンパイル型言語を作るなら、LLVMアセン

ブリ言語にさえ変換すればOK (C言語経由でもOK)

LLVMならばMac, Linux, Windowsで確実に動く上に、

かなり速い。

LLVM化された(らしい)言語処理系

C (llvm-gcc)

Perl

Python (pypy)

Ruby (Rubinius, MacRuby, etc)

Haskell

Brainf**k

... LLVM対応されていない言語を探す方が難しい

LLVM前提で作られた言語

Pure

動的型付け

関数型 (項書き換え)

ユーザ定義文法、マクロ

Haskell風の文法

sudo port install pure

ここまでのまとめ

LLVMは速くて便利

コンパイラを作るならLLVMを使おう

既にLLVMを使ったコンパイラがたくさん

問題点

まだ混沌 (最適化の二度漬けなど)

LLVMを使った処理系をビルドするのが難しいとき

も (MacRuby)

変化がすごすぎる (終わらないsvn up)

実践!

Brainf**k → LLVMアセンブリ言語

BFC: Brainf**k Compiler

git clone

git://github.com/ujihisa/bfc.git

vim bfc/bfc.rb

変換例: +

+: ポインタが示すメモリ位置のデータをインクリメント

/* Cでいうと、 *//* char *hがあるとして */++*h;

LLVMは変数の値を書き換えれない! → 変数としてはポインタだ

けを使えばとりあえずOK

コンパイラ実装例 (bfc.rbより抜粋)

when '+' a = tc += 1; b = tc += 1; c = tc += 1; d = tc += 1 "%tmp#{a} = load i32* %i, align 4\n" << "%tmp#{b} = getelementptr [1024 x i8]* %h, i32 0, i32 %tmp#{a}\n" << "%tmp#{c} = load i8* %tmp#{b}, align 1\n" << "%tmp#{d} = add i8 1, %tmp#{c}\n" << "store i8 %tmp#{d}, i8* %tmp#{b}, align 1\n"

1. ポインタが指す位置を取得

2. その位置から、実際のデータの位置を取得

3. その位置から、実際のデータを取得

4. そのデータに1を足す

実演

$ cat helloworld.bf$ cat helloworld.bf | ruby bfc.rb --llvm > helloworld.ll$ llvm-as helloworld.ll > helloworld.bc$ opt -O3 helloworld.bc # 引数指定なしで自分自身を書き換える$ lli helloworld.bcHello, world!

もしくは単に

$ ruby bfc.rb --llvm helloworld.bf --run

おわり

参考文献:

BFC: Brainf**k Compilers

http://ujihisa.blogspot.com/2009/12/bfc-

brainfk-compilers.html

LLVM For Starters

http://ujihisa.blogspot.com/2009/12/llvm-

for-starters.html

Let's Try LLVM

http://ujihisa.blogspot.com/2009/12/let-

try-llvm.html

try-llvm.htmlnil