Low Level Virtual Machine

Transkrypt

1 Wprowadzenie Low Level Virtual Machine J. Lamecki 14 czerwca 2011

2 Outline Wprowadzenie 1 Wprowadzenie Co to jest LLVM? Dlaczego moduªowy kompilator? Cechy LLVM 2 Format LLVM IR Bloki podstawowe SSA 3 U»yte narz dzia Przykªad generowania funkcji Kompilacja JIT Kompilacja AOT 4

3 Co to jest LLVM? Wprowadzenie Co to jest LLVM? Dlaczego moduªowy kompilator? Cechy LLVM Zestaw gotowych klocków umo»liwiaj cych konstrukcj kompilatora Low Level Virtual Machine - niskopoziomowa maszyna wirtualna LLVM posiada swój byte-code - posta po±redni pozwalaj c przedstawi w niej programy napisane w j zykach niskopoziomowych, takich jak j zyk C. Doª czone s tak»e moduªy pozwalaj ce na generowanie kodu maszynowego oraz optymalizacj postaci po±redniej.

4 Wprowadzenie Dlaczego moduªowy kompilator? Co to jest LLVM? Dlaczego moduªowy kompilator? Cechy LLVM Kompilatory s zªo»onymi i czasochªonnymi w tworzeniu programami Przykªad GCC - 5,7mln tys LOC LLVM - 670tys LOC Wiele elementów kompilatora jest niezale»ne od docelowej architektury, systemu operacyjnego i j zyka programowania Przykªad GCC - 35 architektur, > 15 j zyków LLVM - 13 architektur, > 10 j zyków

5 Wprowadzenie Dlaczego moduªowy kompilator? (cd.) Co to jest LLVM? Dlaczego moduªowy kompilator? Cechy LLVM Wiele zastosowa«wymaga generowania kodu maszynowego (cz sto JIT) Przykªad rodowiska wykonawcze j zyków skryptowych, graka 3D (shader'y) Ci gle powstaj nowe architektury Przykªad x86_64 (1999), XCore (2007), Blackn (2000), AVR32 (2006), LatticeMicro32 (2006), S+core (2005), ESi-RISC (2009)

6 Cechy LLVM Wprowadzenie Co to jest LLVM? Dlaczego moduªowy kompilator? Cechy LLVM Wsparcie 13 architektur sprz towych Wiele gotowych moduªów optymalizacji (z mo»liwo±ci ªatwego dodawania wªasnych oraz zale»no±ci mi dzy moduªami) Czytelna i prosta w zrozumieniu posta po±rednia (LLVM Intermediate Representation) Doskonaªa dokumentacja i wiele przykªadów Mo»liwo± wbudowania w swój program (biblioteka napisana w C++, licencja BSD) Elegancki mechanizm wykonywania zbudowanego kodu (JIT, jak niedost pne mo»e zawsze interpretowa )

7 Wprowadzenie Dodatkowe elementy Co to jest LLVM? Dlaczego moduªowy kompilator? Cechy LLVM Clang - kompilator C, C++ i Objective-C LLDB - debugger Klee - narz dzie symbolicznie ewaluuj ce kod (potra wykry wszystkie mo»liwe wyniki dziaªania programu) vmkit - maszyna wirtualna Java libc++, compiler-rt - biblioteki standardowe C++ oraz pomocnicze funkcje kompilatora (jak libgcc)

8 Format LLVM IR Wprowadzenie Format LLVM IR Bloki podstawowe SSA LLVM IR jest formatem opisuj cym moduª kompilacji (podobnie jak plik '.o'). binarna (.bc - bitcode) tekstowa (.ll) Obie formy s równowa»ne. LLVM zawiera narz dzia do konwersji mi dzy tymi formatami. Narz dzia LLVM oczekuj zazwyczaj bitcode. LLVM IR zawiera funkcje, zmienne globalne, staªe oraz deklaracje.

9 Bloki podstawowe Wprowadzenie Format LLVM IR Bloki podstawowe SSA LLVM IR zawiera funkcje które skªadaj si z jednego lub wi cej bloków podstawowych. Bloki podstawowe to jednostki kodu zawieraj ce instrukcje, które zawsze s zako«czone specjaln instrukcj (terminatorem) - przenosz c sterowanie do innego bloku (powrót z funkcji, skok do innego bloku, wyrzucenie wyj tku). Instrukcje w LLVM IR s statycznie silnie typowane

10 Wprowadzenie Przykªad bloku podstawowego Format LLVM IR Bloki podstawowe SSA C: #include <stdio.h> void wypisz_2_liczby(int n) { printf("%d %d\n",n,n+1); } LLVM = private constant [7 x i8] c"%d %d\0a\00" dene %n) nounwind { %1 = add nsw i32 %n, 1 %2 = tail call i32 getelementptr inbounds ([7 x i64 0, i64 0), i32 %n, i32 %1) nounwind ret void }

11 SSA Wprowadzenie Format LLVM IR Bloki podstawowe SSA SSA (Single Static Assignment) to wªasno± postaci po±redniej polegaj ca na istnieniu dokªadnie jednego miejsca w kodzie gdzie dana zmienna jest ustawiana. Warto±ci zmiennych nie mog wi c by zmieniane. LLVM IR posiada wªasno± SSA Aby wykona tak konstrukcj jak p tla czy operator?: (x?y:z) niezb dna jest dodatkowa instrukcja - phi Instrukcja phi zwraca warto± zale»n od miejsca z którego przyszªo sterowanie do bloku podstawowego w którym instrukcja ta si znajduje.

12 Przykªad SSA Wprowadzenie Format LLVM IR Bloki podstawowe SSA void entry(int val) { if(val) tak(); else nie(); } %0: %1 = icmp eq i32 %val, 0 br i1 %1, label %3, label %2 T F %3: tail call void nounwind br label %4 %2: tail call void nounwind br label %4 %4: ret void CFG for entry function

13 Przykªad PHI Wprowadzenie Format LLVM IR Bloki podstawowe SSA int collatz(int n) { if(n==1) return 0; return collatz( (n%2)? (3*n+1) : (n/2) ) + 1; } %0: %1 = icmp eq i32 %n, 1 br i1 %1, label %14, label %2 %14: T ret i32 0 %8: %2: F %3 = and i32 %n, 1 %4 = icmp eq i32 %3, 0 br i1 %4, label %8, label %5 T %9 = sdiv i32 %n, 2 br label %10 %5: F %6 = mul nsw i32 %n, 3 %7 = add nsw i32 %6, 1 br label %10 %10: %11 = phi i32 [ %7, %5 ], [ %9, %8 ] %12 = tail call %11) nounwind %13 = add nsw i32 %12, 1 ret i32 %13 CFG for collatz function

14 U»yte narz dzia Wprowadzenie U»yte narz dzia Przykªad generowania funkcji Kompilacja JIT Kompilacja AOT py-llvm - wi zania LLVM do j zyka Python opt (cz ± LLVM) - optymalizacja kodu LLVM, dodatkowe przebiegi informacyjne llvm-ld (cz ± LLVM) - linker llvm-dis (cz ± LLVM) - disassembler (przej±cie z LLVM IR w formie binarnej do tekstowej)

15 Wprowadzenie Kod LLVM który chcemy uzyska U»yte narz dzia Przykªad generowania funkcji Kompilacja JIT Kompilacja AOT Jest to moduª zawieraj cy jedn funkcj (kwadratuj) przyjmuj c jeden argument typu double i zwracaj c kwadrat tego argumentu ; ModuleID = 'my_module' dene %x) { entry: %0 = fmul double %x, %x ret double %0 }

16 Wprowadzenie Kod tworz cy funkcj U»yte narz dzia Przykªad generowania funkcji Kompilacja JIT Kompilacja AOT # ªaduj biblioteki LLVM from llvm import * from llvm.core import * # utwórz moduª module = Module.new('my_module') # funkcja zwracaj ca kwadrat swojego argumentu # zwraca double, przyjmuje jeden double ty_double = Type.double() # typ double ty_func = Type.function(ty_double, [ty_double]) # typ funkcji func = module.add_function(ty_func, 'kwadratuj') func.args[0].name = 'x' # nazwa argumentu

17 Wprowadzenie Kod tworz cy funkcj (cd.) U»yte narz dzia Przykªad generowania funkcji Kompilacja JIT Kompilacja AOT # zbuduj blok podstawowy entry = func.append_basic_block('entry') builder = Builder.new(entry) # buduje instrukcje mno»enia pierwszego argumentu przez siebie v_kwadrat = builder.fmul(func.args[0], func.args[0]) # zwraca wynik w zmiennej zawieraj cej wynik mno»enia builder.ret(v_kwadrat) # wypisz tekstow reprezentacj moduªu print module Wynikiem wykonania programu jest kod LLVM IR przedstawiony na wcze±niejszym slajdzie

18 Wprowadzenie Kompilacja just-in-time U»yte narz dzia Przykªad generowania funkcji Kompilacja JIT Kompilacja AOT from llvm.ee import * # utwórz obiekt kompiluj cy JIT moduª ee = ExecutionEngine.new(func.module) for i in xrange(0,10): # dla i=0,1,..,9 # opakuj argument arg = GenericValue.real(ty_double, oat(i)) # uruchom funkcj, odpakuj wynik rv = ee.run_function(func, [arg]).as_real(ty_double) # wypisz wynik print 'i=', i, ' i*i=', rv Program ten pokazuje jak ªatwo mo»na wygenerowa kod maszynowy i uruchomi go wewn trz swojego programu

19 Wprowadzenie Kompilacja ahead-of-time U»yte narz dzia Przykªad generowania funkcji Kompilacja JIT Kompilacja AOT Poprzedni przykªad mo»na rozszerzy o zapis moduªu do pliku: # zapisz bitcode do pliku with le('przyklad-kwadrator.o','wb') as fbc: module.to_bitcode(fbc) Kod wygenerowany w LLVM mo»na tak»e skompilowa do wolno stoj cej formy (natywnego pliku wykonywalnego). Aby skompilowa pliki LLVM IR modul1.o i modul2.o do kodu wynikowego program.exe wystarczy polecenie: llvm-ld -native -o program.exe modul1.o modul2.o

20 Wprowadzenie Kompilatory s coraz cz ±ciej fragmentem wi kszych zastosowa«tworzenie kompilowanych j zyków programowania jest do± proste przy u»yciu odpowiednich narz dzi A przede wszystkim: Fakt Nie ma czego si ba!

21 Appendix Dalsze informacje Dalsze informacje Strona gªówna projektu LLVM and Clang: Advancing Compiler Technology LLVMAndClang.html Kaleidoscope: Implementing a Language with LLVM