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LLVM Introduction – How to use LLVM JIT 2/3
2011-10-25
llvm

Copyright (c) 2011 陳韋任 (Chen Wei-Ren)

2. 實驗 1/2 – 建立 LLVM Module

我們來動手一試吧! 本實驗參考LLVM Tutorial 2: A More Complicated Function，但使用的是 LLVM 2.9 Release。注意! LLVM API 較不穩定，請根據 LLVM 實際版本參照相對應的文件。

本實驗是要用 LLVM IR 實現一個 Greatest Common Divisor (GCD) 演算法，最後使用 LLVM JIT 生成 binary 並執行。GCD 演算法的 C 代碼如下:

unsigned gcd(unsigned x, unsigned y) {   if ( x == y ) { return x; } else if ( x < y ) { return gcd( x, y - x ); } else { return gcd( x - y, y); }   }

上述代碼的 control flow graph (CFG) 請見 LLVM Tutorial 2: A More Complicated Function。好! 我們開始吧。:-) 使用 LLVM JIT 基本上有底下幾個步驟:

  • 創建或是讀入 LLVM Module。Module 是 LLVM IR 的容器。先在 Module 中建立函式，再於函式中建立基本塊，最後在基本塊中填入 LLVM IR。[1][2][3]
  • 於我們所建立的 LLVM IR 上施行優化 (可選)。在 LLVM 中，優化的過程稱為 pass。pass 也可以是僅將 LLVM IR 做些轉換而非優化。[4]
  • 呼叫 LLVM JIT，將 LLVM IR 編譯成 host binary。
  • 取得被編譯成 host binary 的 function pointer。透過呼叫該 function pointer 執行並取得結果。

本實驗做到步驟 2，下一個實驗會補上 3 和 4。因為 LLVM API 較不穩定，請善用 LLVM API Documentation 查詢 API 使用方法。

/* * $ g++ tut2.cpp `llvm-config --cxxflags --ldflags --libs all` -o tut2 * $ ./tut2 */   #include "llvm/LLVMContext.h" #include "llvm/Module.h" #include "llvm/Function.h" #include "llvm/PassManager.h" #include "llvm/Analysis/Verifier.h" #include "llvm/Assembly/PrintModulePass.h" #include "llvm/Support/FormattedStream.h" #include "llvm/Support/IRBuilder.h"   using namespace llvm;   Module* makeLLVMModule(LLVMContext& ctx); // 負責創建 LLVM Module。   int main(int argc, char**argv) {   // LLVMContext 是較晚期才加入 LLVM 的類別。 // 其作用是管理 LLVM core infrastructure 中的 global data。 // 多執行緒的情況下，每個執行緒都應該要有自己的 LLVMContext。 // 請見 llvm/LLVMContext.h。 LLVMContext Context;   Module* Mod = makeLLVMModule(Context); // 呼叫 makeLLVMModule 取得 LLVM Module。   verifyModule(*Mod, PrintMessageAction); // 驗證此 Module 是否合法。   PassManager PM; // 所有的轉換或是優化均被視為 pass，由 PassManager 進行調度。   PM.add(createPrintModulePass(&outs())); // 加入打印 LLVM Module 內容的 pass。 PM.run(*Mod); // 於該 Module 運行 pass。   delete Mod; return 0; }   Module* makeLLVMModule(LLVMContext& ctx) { /* 尚未實作 */ }

現在我們知道大致的架構，接著我們來看怎麼實現 makeLLVMModule。這裡做點弊，我們先來看最後 LLVM IR 的輸出，先有個感覺。;-)

; ModuleID = 'tut2'

define i32 @gcd(i32 %x, i32 %y) { entry: %tmp = icmp eq i32 %x, %y br i1 %tmp, label %return, label %cond_false

return: ; preds = %entry ret i32 %x

cond_false: ; preds = %entry %tmp2 = icmp ult i32 %x, %y br i1 %tmp2, label %cond_true, label %cond_false1

cond_true: ; preds = %cond_false %tmp3 = sub i32 %y, %x %tmp4 = call i32 @gcd(i32 %x, i32 %tmp3) ret i32 %tmp4

cond_false1: ; preds = %cond_false %tmp5 = sub i32 %x, %y %tmp6 = call i32 @gcd(i32 %tmp5, i32 %y) ret i32 %tmp6 }

開始囉!

Module* makeLLVMModule(LLVMContext& Context) {   Module* M = new Module("tut2", Context);   // 在 Module 中插入新的函式 (Function)。若該函式已存在，返回該函式。 Function *gcd = cast(M->getOrInsertFunction("gcd", /* 返回型別 */ Type::getInt32Ty(Context), /* 參數 */ Type::getInt32Ty(Context), /* 參數 */ Type::getInt32Ty(Context), /* 結尾 */ (Type *)0));   // 分別將 gcd 的參數命名為 x 和 y。使將來的輸出較易懂。 Function::arg_iterator args = gcd->arg_begin(); Value* x = args++; x->setName("x"); Value* y = args++; y->setName("y");   // 在函式中插入基本塊 (BasicBlock)。基本塊內含 LLVM IR，並以 // terminator instruction 結尾，請見 // http://llvm.org/docs/LangRef.html#terminators // // 底下建立的基本塊，請參照 // http://llvm.org/releases/2.6/docs/tutorial/JITTutorial2.html // 中的 CFG。 // BasicBlock* entry = BasicBlock::Create(Context, "entry", gcd); BasicBlock* ret = BasicBlock::Create(Context, "return", gcd); BasicBlock* cond_false = BasicBlock::Create(Context, "cond_false", gcd); BasicBlock* cond_true = BasicBlock::Create(Context, "cond_true", gcd); // // 即使我們賦予 cond_false 和 cond_false_2 相同的名稱，LLVM 會將 // 之替換成不同名稱。如此可省去我們命名的麻煩。 // BasicBlock* cond_false_2 = BasicBlock::Create(Context, "cond_false", gcd);   /* 開始填入 LLVM IR */   // IRBuilder 提供一組一致的介面生成 LLVM IR。 IRBuilder builder(entry); // 於基本塊 entry 填入 LLVM IR。 // // %tmp = icmp eq i32 %x, %y // br i1 %tmp, label %return, label %cond_false // Value* xEqualsY = builder.CreateICmpEQ(x, y, "tmp"); builder.CreateCondBr(xEqualsY, ret, cond_false); builder.SetInsertPoint(ret); // 於基本塊 ret 填入 LLVM IR。 // // ret i32 %x // builder.CreateRet(x);   builder.SetInsertPoint(cond_false); // 於基本塊 cond_false 填入 LLVM IR。 // // 注意! LLVM 中的 integer type 不帶有 signed 或是 unsigned 的資訊。 // icmp 需要顯式的對其 integer type 運算元做 signed 或是 unsigned // 的解釋。請見 http://llvm.org/docs/LangRef.html#i\_icmp // // %tmp2 = icmp ult i32 %x, %y // br i1 %tmp2, label %cond_true, label %cond_false1 // Value* xLessThanY = builder.CreateICmpULT(x, y, "tmp"); builder.CreateCondBr(xLessThanY, cond_true, cond_false_2);   builder.SetInsertPoint(cond_true); // 於基本塊 cond_true 填入 LLVM IR。 // // %tmp3 = sub i32 %y, %x // %tmp4 = call i32 @gcd(i32 %x, i32 %tmp3) // ret i32 %tmp4 // Value* yMinusX = builder.CreateSub(y, x, "tmp"); std::vector args1; args1.push_back(x); args1.push_back(yMinusX); Value* recur_1 = builder.CreateCall(gcd, args1.begin(), args1.end(), "tmp"); builder.CreateRet(recur_1);   builder.SetInsertPoint(cond_false_2); // 於基本塊 cond_false_2 填入 LLVM IR。 // // %tmp5 = sub i32 %x, %y // %tmp6 = call i32 @gcd(i32 %tmp5, i32 %y) // ret i32 %tmp6 // Value* xMinusY = builder.CreateSub(x, y, "tmp"); std::vector args2; args2.push_back(xMinusY); args2.push_back(y); Value* recur_2 = builder.CreateCall(gcd, args2.begin(), args2.end(), "tmp"); builder.CreateRet(recur_2);   return M; }

請注意! 生成 LLVM IR 時，請遵守 LLVM Language Reference Manual 上的規範。某些情況被 LLVM 視為未定義 (undefined)，這代表 LLVM 想怎麼做都可以。千萬不要憑直覺解讀運算後的結果，否則你怎麼死的都不知道。

舉例: shl 將第一個運算元往左移位指定的位數。你先想想底下的結果為何。

shl i32 1, 32 ; 把長度為 32-bit 的 1 往左移 32 位

是 0 嗎? 我們來看規格怎麼說。:-)

Semantics:

The value produced is ... . If op2 is (statically or dynamically) negative or equal to or larger than the number of bits in op1, the result is undefined.

是的，shl i32 1, 32 所得結果是 undef。這代表你的程序可能能正確執行、當機或是任何事都可能發生。請嚴格遵守 LLVM Language Reference Manual 上的規範。不要自作聰明。

[1] http://llvm.org/docs/ProgrammersManual.html#Module
[2] http://llvm.org/docs/ProgrammersManual.html#Function
[3] http://llvm.org/docs/ProgrammersManual.html#BasicBlock
[4] http://llvm.org/docs/WritingAnLLVMPass.html