使用llvm实现一门语言 —— cava

本文涉及的产品
智能开放搜索 OpenSearch行业算法版,1GB 20LCU 1个月
推荐全链路深度定制开发平台,高级版 1个月
智能开放搜索 OpenSearch向量检索版,4核32GB 1个月
简介: 本文将介绍如何使用llvm+bison+flex技术实现一门编程语言。 以我们实现的cava语言为例,介绍编译器各阶段,词法分析 -> 语法分析 -> 语义分析 -> 中间代码优化 -> 目标代码生成,最终生成汇编指令,再由汇编语言根据不同的指令集生成对应的可执行程序是如何实现的。

背景

cava 产生的背景,是由于ha3业务方对插件定制及版本兼容需求,要求我们基于llvm开发一种性能与c++相当的类java脚本语言。

经过我们的调查发现:

可备选项由例如sp上的lua,elasticsearch上的groovy等,但最终得出的结论是现有的脚本语言都不能很好的满足ha3的需求。

groovy是jvm语言,它和用java开发的elasticsearch比较配。ha3是用c++开发的,ha3上插件的内存管理模式很固定,插件中的内存分配可以和请求session的pool绑定,请求结束整个pool释放,不需引入gc;另外jni比较重和c++交互的效率不高,因jvm语言不满足要求。

公认和c++结合比较好的是lua,它在游戏领域被广泛使用,lua本身比较轻量,它通过lua栈和c++交互,lua有个非官方版的jit实现luajit,不考虑和c++交互的话,luajit的性能非常不错。但是在ha3算分过滤等场景,脚本和c++交互的次数能达到百万级别,c++交互上的开销是一个不能忽略的因素,lua在这种场景性能还是满足不了我们的要求。

最终,我们决定自己实现一门类java脚本语言——cava。

本文将分享下如何使用 LLVM 来实现一门语言,以cava作为例子来具体讲述编译器各个阶段的实现:

编译器经典流程

编译器通过词法分析 -> 语法分析 -> 语义分析 -> 中间代码优化 -> 目标代码生成,最终生成汇编指令,再由汇编语言根据不同的指令集生成对应的可执行程序

cava使用Bison和flex来实现词法语法分析,使用llvm来实现中间代码到编译执行

词法 & 语法

基于 Bison flex 实现词法语法分析器

token

token定义

%token BOOLEAN // primitive_type
%token CHAR BYTE SHORT INT LONG UBYTE USHORT UINT ULONG // integral_type
%token DOUBLE FLOAT // floating_point_type
%token NULL_LITERAL
%token LBRACK RBRACK // array_type
%token DOT // qualified_name
%token SEMICOLON MULT COMMA LBRACE RBRACE EQ // separators
%token LPAREN RPAREN COLON // more separators
...

token识别,使用flex

"(" { updateLocation(yylloc, YYLeng()); return token::LPAREN;    }
")" { updateLocation(yylloc, YYLeng()); return token::RPAREN;    }
"{" { updateLocation(yylloc, YYLeng()); return token::LBRACE;    }
"}" { updateLocation(yylloc, YYLeng()); return token::RBRACE;    }
"[" { updateLocation(yylloc, YYLeng()); return token::LBRACK;    }
"]" { updateLocation(yylloc, YYLeng()); return token::RBRACK;    }
token_type boolLiteral(semantic_type *yylval, location_type *yylloc, bool val) {
    updateLocation(yylloc, YYLeng());
    yylval->booleanLiteral = val;
    return token::BOOLEAN_LITERAL;
}
token_type intLiteral(semantic_type *yylval, location_type *yylloc) {
    yylval->integerLiteral = atoi(YYText());
    updateLocation(yylloc, YYLeng());
    return token::INTEGER_LITERAL;
}
...

位置信息

cava在词法分析阶段就透出了位置信息,记录下了所有token所在文件的行列号,用于后续报错处理时能够准确的定位错误位置

void updateLocation(location_type *yylloc, int width) {
    updateBegin(yylloc, 0);
    updateEnd(yylloc, width);
}

语法 parser

利用Bison定义语法规则,维护token之间的排列关系

expression : assignment_expression {
    @$ = @1;
    $$ = $1;
}

assignment_expression : conditional_expression {
    @$ = @1;
    $$ = $1;
}
| assignment { $$ = $1; }

conditional_expression : conditional_or_expression {
    @$ = @1;
    $$ = $1;
}
| conditional_or_expression QUESTION expression COLON conditional_expression {
    @$ = @1 + @2 + @3 + @4 + @5;
    $$ = NodeFactory::createConditionalExpr(ctx, @$, $1, $3, $5);
}

conditional_or_expression : conditional_and_expression {
    @$ = @1;
    $$ = $1;
}
| conditional_or_expression OROR conditional_and_expression {
    @$ = @1 + @2 + @3;
    $$ = NodeFactory::createBinaryOpExpr(ctx, @$, $1, BinaryOpExpr::OT_COND_OR, $3);
}

conditional_and_expression : inclusive_or_expression {
    @$ = @1;
    $$ = $1;
}
| conditional_and_expression ANDAND inclusive_or_expression {
    @$ = @1 + @2 + @3;
    $$ = NodeFactory::createBinaryOpExpr(ctx, @$, $1, BinaryOpExpr::OT_COND_AND, $3);
}

AST

AST 生成

在语法分析的时候,cava利用NodeFactory类生成对应的AST,把token连接成语法树

AST设计参考

以上文中 BinaryOpExpr 为例, binaryOpExpr 表示二元表达式。先创建对应的BinaryOpExpr 类,继承Expr类,里面包含成员左表达式 _left,右表达式 _right, 以及 表达式类型 _op。

class BinaryOpExpr : public Expr
{
public:
      enum OpType {
        // logic
        OT_COND_OR,         // ||
        OT_COND_AND,        // &&
        // bit
        OT_BIT_OR,          // |
        OT_BIT_XOR,         // ^
        OT_BIT_AND,         // &
        // relational
        OT_EQ,              // ==
        OT_NE,              // !=

        OT_LT,              // <
        OT_GT,              // >
        OT_LE,              // <=
        OT_GE,              // >=
        // shift
        OT_SHL,             // <<
        OT_SHR,             // >>
        // arithmetic
        OT_ADD,             // +
        OT_SUB,             // -
        OT_MUL,             // *
        OT_DIV,             // /
        OT_MOD,             // %

        OP_NONE
    };
private:
    Expr *_left;
    Expr *_right;
    OpType _op;
    // CGClassInfo *_promotionClassInfo; // set by typeinfer
    CAVA_LOG_DECLARE();
};

创建节点并将左右子表达式及Op类型填入后,填充对应的位置信息,维护ASTContext(用于记录所有的AST信息)

// createBinaryOpExpr
CREATE_NODE_IMPL_ARG3(BinaryOpExpr,
                      Expr *,
                      BinaryOpExpr::OpType,
                      Expr *);

#define CREATE_NODE_IMPL_ARG3(T, T1, T2, T3)                        \
T *NodeFactory::create##T(ASTContext &astCtx, Location &location,   \
                          T1 arg1, T2 arg2, T3 arg3)                \
CREATE_NODE_IMPL_BODY(T, arg1, arg2, arg3)

#define CREATE_NODE_IMPL_BODY(T, ...)                               \
{                                                                   \
    T *val = new T(__VA_ARGS__);                                    \
    val->setLocation(location);                                     \
    astCtx.addNode<T>(val);                                         \
    astCtx.addNode<TypeNode>(val);                                  \
    astCtx.addNode<ASTNode>(val);                                   \
    val->beParent(__VA_ARGS__);                                     \
    return val;                                                     \
}

cava AST 设计大纲

Overall

  • 编译模块(Module): has a module
  • 编译单元(CompilationUnit): has Package Impot and ClassDecl (0 1 or more)
  • 类(ClassDecl): has className and ClassBody
  • ClassBodyDecl: has ClassMemberDecl (0 1 or more)
  • 类成员(ClassMemberDecl): is a

    • 构造(ConstructorDecl): has className, a list of Formal and a block
    • Formal: has name and TypeNode
    • block: has a CompoundStmt Stmt
  • 字段(FieldDecl): has TypeNode and VarDecl

    • VarDecl: has a valName and maybe with a Expr as initializer
    • 方法(MethodDecl): has methodName a list of Formal and a block
  • 类型(TypeNode) 语句(Stmt) 表达式(Expr)

TypeNode

  • 基础类型(CanonicalTypeNode): boolean, char, int, double ...
  • class类型(AmbTypeNode): unresolved class type (除了基础类型,和数组类型,其余都是class类型)
  • 数组类型(ArrayTypeNode): has a TypeNode and dims

Stmt

  • CompoundStmt: { ...; ...; } contain multi Stmts
  • EmptyStmt
  • ExprStmt: has a Expr
  • BreakStmt
  • ContinueStmt
  • ReturnStmt
  • LocalVarDeclStmt: has TypeNode and VarDecl
  • IfStmt: has a ifExpr ifStmt and may has elseStmt
  • ForStmt: a list of initStmt, stopStmt, updateStmt and bodyStmt
  • DoWhileStmt
  • WhileStmt
  • SwitchStmt

Expr

  • ArrayInitExpr: {1, 2, 3}
  • ConditionalExpr: a > b ? 0 : 1
  • BinaryOpExpr: && || | & ^ == >= <= > < != >> << + - * / % ...
  • UnaryOpExpr: ++ -- !
  • LiteralExpr: 1 1.1 'a' "abc" null ...
  • NewExpr: new class
  • NewArrayExpr
  • FieldAccessExpr
  • AssignExpr: = += -= ...
  • ArrayAccessExpr
  • CallExpr
  • AmbExpr: a.b.c.d

AST改写插件

cava支持多种用户自定义的插件,其中重要的一类是自定义AST改写插件,由于在AST层面上,能够拿到整颗语法树的信息,可以很方便的进行一些改写语法树的操作,使得脚本语言更加灵活,可以在用户代码无感知的情况下做一些改写工作,比如可以更好的做到版本兼容问题,帮助用户完成一些代码逻辑。AST插件的执行位置在生成AST之后。以下介绍几种插件:

自动生成return语句的插件

用于检测用户在函数的函数中未实现return语句,插件自动填充return语句,该功能仅限返回值为void使用,其余类型无法确定返回值,因此加入了检测分支为实现return即报错。

默认构造函数插件

用于对为实现构造函数的类自动生成的默认构造函数

bool AddDefaultCtor::process(ASTContext &astCtx) {
    for (auto classDecl : astCtx.getClassDecls()) {  // for all class
        if (!classDecl->getCtors().empty() ||
            ASTUtil::hasNativeFunc(classDecl))    // check has ctor func
        {
            continue;
        }
        // use NodeFactory build Ctor
        auto modifier = NodeFactory::allocModifier(astCtx);
        auto name = &classDecl->getClassName();
        auto formals = astCtx.allocFormalVec();
        Location loc;
        auto type = NodeFactory::createCanonicalTypeNode(astCtx,
            loc, CanonicalTypeNode::CT_VOID);  //create return type
        auto stmtVec = astCtx.allocStmtVec();
        auto returnStmt = NodeFactory::createReturnStmt(astCtx, loc, NULL);
        stmtVec->push_back(returnStmt);
        auto body = NodeFactory::createCompoundStmt(astCtx, loc, stmtVec);
        auto ctor = NodeFactory::createConstructorDecl(astCtx,
            loc, modifier, name, formals, type, body);
        classDecl->addCtor(ctor);
    }
    return true;
}

报错信息

报错信息中定义了错误类型,报错的位置信息,以及具体的错误内容,错误信息需要分布在编译的各个阶段产生,如词法语法错误,插件报错,类型系统的错误,类型推导阶段错误,codegen报错,jit报错等。也需要思考如何才能报错精准,能够让用户清晰的知道自己的错误在哪里,cava的报错会向java靠近,目前的实现还不尽如人意,后续版本中会逐渐完善报错内容的精准度,以及覆盖所有错误分支的测试。

类型系统

类型分为基础类型,数组类型和class类型三个大类。

我们引入了类型系统来管理所有的基础类型,数组类型以及class类型,提供了注册类型,管理类型的功能。

基础类型

基础类型是cava原生的一些类型,如void,boolean,byte,int,double等,与java不同的一点是,我们引入了unsigned类型,方便与c++做交互,基础类型间允许相互之间的自动转换以及强制转换,如int类型的a,可以转成(long)a。cava通过TypePromotion定义转换规则,参考java promotion实现。

class类型

由class 定义的类型均称为cava的class类型,class类型中包含每个类型所属的module,package等信息,能够记录类型的生命周期,作用域,类型间的关系等功能。

与java一致,我们引入了package概念,每个class类型都有对应的package,用以区分不同的类。

cava是以module形式管理代码的,类型的注册和生命周期都是基于module产生的,module分为external和internal两类,external允许外部module调用本module中的类型,用于做跨模块的链接,而internal设计为不允许外部module使用,属于私有module。

数组类型

数组类型由数组的维数和其基类型(class类型或基础类型)共同组成,cava定义数组类型,数组可以显示的调用length:

template<typename T>
class CavaArrayType
{
public:
    int64_t length;
    T *getData() { return _data; }
    void setData(T *data) { _data = data; }
private:
    T *_data;
}

可以看出,不同维数的数组是不一样的类型,因此,当生成n维数组的时候,我们会递归的生成n-1维到1维数组类型。

类型推导 & 检测

类型推导和检测是在codegen前做的一步重要工作,由于cava是一门强类型语言。在生成IR前,cava会遍历AST确定所有变量表达式的类型。因此,在所有的表达式中所包含的参数类型都有严格的要求,比如boolean类型不能做加减等运算,int + long 返回的类型经过向上转型原则为long等。

因此,cava会遍历整颗语法树中的所有变量常量等做类型的推导检测,以保证符合语法。

IR & Codegen

在经历完以上步骤后的语法树,我们正式用到了llvm,接下来我们将使用llvm生成语法树对应的LLVM IR(LLVM 自带的中间码)。

llvm IR 从Module -> Function -> Basic Block -> Instruction,分为不同的层次,囊括了一门语言基本结构。llvm Module是llvm的基本编译单元。

image

cava生成IR的步骤:

  • 生成Module

llvm Module构造,传入llvm::Context,llvm Context初始构造可以为空

llvm::Module(moduleName, llvmContext); // string name, llvm::Context *context
  • 遍历Module中的所有的类(Module -> cava Class)
  • 生成类中所有的构造及方法,构造函数是特殊的方法(cava Class -> cava Ctor, Function), cava Ctor 是特殊的Function

llvm Function构造,需要在对应的llvm Module中插入,传入function Name以及llvm::FunctionType

llvm::FunctionType 构造需要传入返回值类型和参数列表和是否变参

llvm::FunctionType::get(retLLVMType, params, false); // Type *Result, ArrayRef<Type *> Params, bool isVarArg

llvm::cast<llvm::Function>(_module->getOrInsertFunction(funcName, funcType)); // string name, llvm::FunctionType *funcType
  • 生成方法对应的代码块(Function -> Basic Block)

llvm BasicBlock 构造需要llvm Context,BasicBlock name,所属function等信息,代码块相当于{}

llvm::BasicBlock *createBasicBlock(const llvm::Twine &name = "",
    llvm::Function *parent = nullptr,
    llvm::BasicBlock *before = nullptr)
{
    return llvm::BasicBlock::Create(_context, name, parent, before);
}
  • 生成代码块中的语句(Basic Block -> cava Stmt)

Stmt和Expr 对应到llvm中均为llvm::Instructions

引入llvm::IRBuilder 用于辅助生成llvm Instructions,插入到对应的 Basic Block 中。

irBuilder(context); // llvm::Context *context
irBuilder.SetInsertPoint(entryBB); // llvm::BasicBlock *entryBB

分支语句的生成,以if语句为例:

bool CodeGenFunction::handleIfStmt(IfStmt *ifStmt) {
    llvm::BasicBlock *thenBlock = createBasicBlock("if.then");
    llvm::BasicBlock *contBlock = createBasicBlock("if.end");
    llvm::BasicBlock *elseBlock = contBlock;
    if (ifStmt->getElse()) {
        elseBlock = createBasicBlock("if.else");
    }
    emitBranchOnBoolExpr(ifStmt->getCond(), thenBlock, elseBlock);
    if (_error) {
        emitBlock(thenBlock, true);
        emitBlock(contBlock, true);
        if (ifStmt->getElse()) {
            emitBlock(elseBlock, true);
        }
        return false;
    }
    // if.then
    emitBlock(thenBlock);
    handleStmt(ifStmt->getThen());
    emitBranch(contBlock);
    // else
    if (ifStmt->getElse()) {
        emitBlock(elseBlock);
        handleStmt(ifStmt->getElse());
        emitBranch(contBlock);
    }
    // Handle the continuation block for code after the if.
    emitBlock(contBlock, true);
    return true;
}
  • 生成表达式的IR(cava Stmt -> cava Expr)

同理,使用 llvm::IRBuilder 工具生成Expr对应的指令集。

异常检测

目前cava的异常检测还比较弱小,不支持用户try,catch逻辑

现有的异常检测实现方法是在所有的数组下标调用前,除法前以及对象下标访问前,进行判定是否合法,将if语句IR植入到代码中,使用if语句判断实现,遇到异常进行标记,并逐层返回。目前支持的异常检测包括:

  • 数组边界检测
  • 除0检测
  • null对象下标访问检测

内存管理

cava不提供类似JVM的GC机制,作为一门脚步语言,采用允许用户自定义的内存分配方式。目前默认的简单内存实现是使用mem pool,作为脚步语言内存的持有一直到cava生命周期结束。

void *_cava_alloc_(CavaCtx *ctx, size_t size, int flag) {
    if (size == 0) {
        ++size;
    }
    CavaAlloc *cavaAlloc = (CavaAlloc *)ctx->userCtx;
    void *ret = cavaAlloc->alloc(size);
    if (flag && ret) {
        memset(ret, 0, size);
    }
    return ret;
}
void *alloc(size_t size) {
    return _pool.allocate(size);
}
autil::mem_pool::Pool _pool;

在CavaCtx 类中包含了可自定义的内存管理工具userCtx,所有的cava函数的第一项非this指针参数,均为 *CavaCtx,用于在每个方法中管理内存和异常信息。

以ha3调用cava举例,ha3使用mem pool自定义了Ha3CavaAllocator用于cava内存管理,在每个线程开始时创建cavaCtx的Ha3CavaAllocator,在调用插件的接口处传入cavaCtx,用于执行cava脚本
score = _scorerModuleInfo->scoreFunc(_scorerObj, _cavaCtx, doc);在线程结束前析构Ha3CavaAllocator,释放资源。

Pass

截止到目前,已经生成了未经过Pass优化前的llvm IR代码,通过llvm::errs() << module; 打印出llvm Module 对应的IR代码:

cava代码

class Example {
    static int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }
    static int main() {
        int a = 3;
        int b = 4;
        if (a == 0)
            return 0;
        return add(a, b);
    }
}

对应的未经过pass优化的IR,由于cava有一些内置的异常检测,以及未经过任何pass优化,所以会显得复杂点,后续会将异常检测重新设计,不再程序中内置检测,能够减少指令数,

define i32 @_ZN7Example3addEP7CavaCtxii(%class.CavaCtx* %"@cavaCtx@", i32 %a, i32 %b) {
    entry:
        %"@cavaCtx@1" = alloca %class.CavaCtx*
        store %class.CavaCtx* %"@cavaCtx@", %class.CavaCtx** %"@cavaCtx@1"
        %a2 = alloca i32
        store i32 %a, i32* %a2
        %b3 = alloca i32
        store i32 %b, i32* %b3
        %0 = load i32, i32* %a2
        %1 = load i32, i32* %b3
        %add = add i32 %0, %1
        ret i32 %add
}

define i32 @_ZN7Example4mainEP7CavaCtx(%class.CavaCtx* %"@cavaCtx@") {
    entry:
        %"@cavaCtx@1" = alloca %class.CavaCtx*
        store %class.CavaCtx* %"@cavaCtx@", %class.CavaCtx** %"@cavaCtx@1"
        %a = alloca i32
        store i32 3, i32* %a
        %b = alloca i32
        store i32 4, i32* %b
        %0 = load i32, i32* %a
        %eq = icmp eq i32 %0, 0
        %1 = zext i1 %eq to i8
        %tobool = icmp ne i8 %1, 0
        br i1 %tobool, label %if.then, label %if.end

    if.then:                                          ; preds = %entry
        ret i32 0

    if.end:                                           ; preds = %entry
        %2 = load %class.CavaCtx*, %class.CavaCtx** %"@cavaCtx@1"
        %3 = load i32, i32* %a
        %4 = load i32, i32* %b
        %5 = call i32 @_ZN7Example3addEP7CavaCtxii(%class.CavaCtx* %2, i32 %3, i32 %4)
        %6 = load %class.CavaCtx*, %class.CavaCtx** %"@cavaCtx@1"
        %exception = getelementptr inbounds %class.CavaCtx, %class.CavaCtx* %6, i32 0, i32 1
        %7 = load i32, i32* %exception
        %ne = icmp ne i32 %7, 0
        br i1 %ne, label %if.then2, label %if.end4

    if.then2:                                         ; preds = %if.end
        %8 = load %class.CavaCtx*, %class.CavaCtx** %"@cavaCtx@1"
        %exception3 = getelementptr inbounds %class.CavaCtx, %class.CavaCtx* %8, i32 0, i32 1
        store i32 1, i32* %exception3
        ret i32 0

    if.end4:                                          ; preds = %if.end
        ret i32 %5
}

Pass 优化及编写,这也是编译语言的精髓之处,不幸的是,笔者还未深入这一领域,cava参考了clang -O2 的优化pass,执行了FunctionPasses, ModulePasses, CodeGenPasses等优化,使得性能接近c++,不过c++ 的pass有些过于复杂,不适合JIT阶段使用,以及JIT独有的PGO,根据线上真实场景做codegen等优化尚未实现,这里面的性能提升空间还是很有潜力的,希望与大家一同探究。(题外话,随着对pass的了解,可以说未涉及pass的编译器还只是初级阶段。)

下文中会提到,处于性能考虑,我们也仿照llvm 的Clone Module,类似的实现了一个可以跨Module 的clone function Pass,用于将加载的bc module inline 到其他module中,减少函数调用。

bool CavaModule::cloneGlobals() {
    auto module = _bitCodeManager.getModule(); // 取出bc 中的moduke
    if (!module) {
        return true;
    }
    if (!createDsoHandle(module)) { // clone __dso_handle
        return false;
    }
    if (!createCxaAtExit(module)) { // clone __cxa_atexit
        return false;
    }
    if (!createGlobalVariables(module)) { // clone GV, 全局变量
        return false;
    }
    if (!createCxaGlobalCtors(module)) { // clone cxaGlobalCtor
        return false;
    }
    return true;
}

__dso_handle,__cxa_atexit,用于c++链接

JIT & 执行

JIT

llvm 同时支持 AOT编译和JIT编译,JIT编译依赖于llvm TargetMachine,targetMachine 作为llvm 针对不同机器指令集的后端接口,可以根据不同的指令集产出不同的机器码,同时,也可以根据不同指令集进行pass优化。targetMachine详细的针对不同指令集的配置信息可以参考clang,cava只支持了x86-64机型。

cava JIT通过llvm ORC来生成jit编译, ORC编译需要定义一个llvm::orc::IRCompileLayer

// 需要定义一个Compiler类,用于执行各类pass优化
_compileLayer.reset(new CompileLayerT(_objectLayer,
    CavaCompiler(_targetMachine.get(), _config.debugIR)));
auto resolver = llvm::orc::createLambdaResolver(
    [cavaModule, this](const std::string &name) {
        if (auto sym = findMangledSymbol(name, cavaModule))
            return sym;
        return llvm::JITSymbol(nullptr);
    },
    [](const std::string &S) { return nullptr; });
auto handle = _compileLayer->addModuleSet(
    singletonSet(cavaModule->getLLVMModule()),
    llvm::make_unique<llvm::SectionMemoryManager>(),
    std::move(resolver));

执行代码

执行代码通过找到函数符号对应的地址,直接调用function即可

typedef int (*MainProtoType)(CavaCtx *);
llvm::JITSymbol jitSymbol = cavaJit->findSymbol(cavaModule->getMangleMainName());    // mangle后的name,下一章会详细介绍
MainProtoType mainFunc = (MainProtoType) jitSymbol.getAddress();
if (!mainFunc) {
    cout << "no main found" << endl;
    return 0;
}
int ret = mainFunc(&cavaCtx);

与c/c++的交互

cava 的设计之初就是追求高性能,尤其是与c++的交互

mangle

cava通过生成与clang/gcc/intel编译c++标准一致的函数符号,来直接调用c++的函数。具体实现参考clang 的mangle逻辑,详情可以查看 “llvm-src/lib/AST/ItaniumMangle.cpp”,将cava的函数名生成与c++ mangle规则一致的函数名,如

static int add(int a, int b) 转换成 define i32 @_ZN7Example3addEP7CavaCtxii(%class.CavaCtx* %"@cavaCtx@", i32 %a, i32 %b),CavaCtx是上文提到的cava自带的参数

bc加载

cava 与c++的高性能交互,来源于两者均基于llvm实现编译器,拥有一致的中间代码,既可以采用mangle后调用符号名一致的函数。也可以有更高性能的交互,那就是把c++代码或者cava代码提前编译成bc文件,再通过llvm IRReader 加载整个module,实现进一步的联合编译,pass优化。c++如何生成bc参考下文的常用命令。

image

跨模块inline编译

有了加载bc后,可以将cava原生代码和c++代码联合在一起编译,但是仍未解决cava调用c++函数这一层函数调用的开销,于是就有了跨模块inline的pass设计。我们利用IR定制了一个跨模块clone function的Pass,将不同module的函数及全局变量等通过递归的形式clone到本module中,再进行inline 优化,从而减少了函数调用。

参考 & 工具

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