LLVM 背景

LLVM 项目的创始人为 Chris Lattner，亦是Swift之父。据传作者只是想写一个底层的虚拟机，这也是 LLVM 名字的由来，Low Level Virtual Machine，类似Java的JVM虚拟机。后来，LLVM 从来没有被用作过虚拟机。所以人们决定仍然叫他LLVM，其实它跟虚拟机没有半毛钱关系。官方描述如下 The name "LLVM" itself is not an acronym; it is the full name of the project. “LLVM”这个名称本身不是首字母缩略词，它是项目的全名。

传统编译器架构

传统编译器架构介绍如下图所示：

Frontend：解析源代码，检查错误，并且把它翻译为特定语言语法抽象树（Abstract Syntax Tree，AST）。AST也可以被进一步优化转换为中间表示（比如，LLVM Intermedaite Representaion），后面的2个阶段都使用这个中间表示。
Optimizer：优化代码。比如去除无用的变量或计算，进而提高代码运行效率。
Backend：把优化后的代码转换为目标机器码（Target Instruction Set）。目标是生成充分可以利用目标机器体系结构的native code。

LLVM 架构

不同的前、后端使用统一的中间代码 LLVM Intermediate Representation (LLVM IR)。
支持一种新的编程语言，只需要实现一个新的前端。
支持一种新的硬件设备，只需要实现一个新的后端。
优化阶段 Optimizer 是一个通用的阶段，它针对的是统一的 LLVM IR，不论是支持新的编程语言，还是支持新的硬件设备，都不需要对优化阶段做修改。

相比之下，GCC 的前端后端耦合在了一起。所以 GCC 若要支持一门新的语言，或者支持一个新的目标平台，就变得特别困难。

LLVM 现在被作为实现各种静态和运行时编译语言的通用基础结构 (GCC家族、Java、.NET、Python、Ruby、Scheme、Haskell、D等)。

上图是 Clang/LLVM 的简单架构。最初时，LLVM的前端是GCC，后来Apple自己开发了一套Clang出来把GCC取代了，不过现在带有Dragon Egg的GCC还是可以生成LLVM IR，也同样可以取代Clang的功能，我们也可以开发自己的前端，和LLVM后端配合起来，实现我们自定义的编程语言的编译器。

LLVM IR 是LLVM的中间表示，大多数的优化都依赖于 LLVM IR 展开。把Opt单独画在一边，是为了简化图的内容，LLVM的设计思想是优化可以渗透在整个编译流程的各个阶段，比如编译时、链接时、运行时等。

在LLVM中，IR有三种表示：

第一种是可读的IR，类似于汇编代码，但其实它介于高等语言和汇编之间，这种表示就是给人看的，磁盘文件后缀为.ll；
第二种是不可读的二进制IR，被称作位码（bitcode），磁盘文件后缀为.bc；
第三种是一种内存格式，只保存在内存中，所以谈不上文件格式和文件后缀，这种格式是LLVM 之所以编译更快的一个原因。它不像gcc，每个阶段结束会生成一些中间过程文件，它编译的中间数据都是这第三种表示的IR。

三种格式是完全等价的，我们可以在 Clang/LLVM 工具的参数中指定生成这些文件（默认不生成），可以通过 llvm-as和 llvm-dis来在前两种文件之间做转换。

LLVM IR linker 是IR的链接器，而不是gcc中的那个链接器。为了实现链接时优化，LLVM在前端（Clang）生成单个代码单元的IR后，将整个工程的IR都链接起来，同时做链接时优化。

LLVM backend 是LLVM真正的后端，也被称为LLVM核心，包括编译、汇编、链接这一套，最后生成汇编文件或者目标码。这里的 LLVM compiler 和 gcc compiler 不一样，这里的LLVM compiler只是编译LLVM IR。

Clang 与 LLVM 区别

Clang 是 LLVM 项目的一个子项目，是基于 LLVM 架构的 C/C++/Objective-C 编译器前端。

LLVM 整体架构，前端用的是 Clang；广义的 LLVM 是指整个 LLVM 架构，一般狭义的LLVM指的是 LLVM 后端（包含代码优化和目标代码生成）。

LLVM 核心优化器（optimizer）。不依赖于源码和目标机器指令集。这个核心库基于 LLVM 的中间表示（LLVM intermedaite representation）。
Clang 编译器（compiler）。Clang 目标是实现一个C/C++/Objective-C compiler。Clang可以提供非常有用的错误和警告信息。Clang Static Analyzer是一个自动化发bug的工具。

源代码（C/C++）经过 Clang ---> 中间代码(经过一系列的优化，优化用 Pass) ---> 机器码（目标程序）。

Clang 与 GCC 区别

编译速度快：在某些平台上，Clang的编译速度显著的快过GCC(Debug模式下编译OC速度比GCC快3倍)。
占用内存小：Clang生成的AST所占用的内存是GCC的五分之一左右。
模块化设计：Clang采用基于库的模块化设计，易于 IDE 集成及其他用途的重用。
诊断信息可读性强：在编译过程中，Clang 创建并保留了大量详细的元数据 (metadata)，有利于调试和错误报告。
设计清晰简单，容易理解，易于扩展增强。

参考

深入浅出让你理解什么是LLVM - 简书 (jianshu.com)

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