iOS Principle：LLVMAndClang（上）

方便记忆：

• 编译语言：OC 和 Swift 基于 Clang 和 LLVM 来编译（Clang 前端、LLVM 后端）
• 特点：Clang 更快、内存占用小、兼容GCC、设计简单、模块化库（GCC 支持JAVA等和更多平台）
• 编译工作：Clang 语法分析，语义分析，生成中间代码；LLVM 机器无关的代码优化，生成机器语言
• 编译完成：生成 dSYM 文件存放函数地址映射，Fabric、友盟等崩溃解析
• 编译插入：预处理——宏、插入脚本——cocoapod
• 编译时间优化：

• 代码层—优化@class代替#import、打包库、头文件进行预编译；
• 编译器层—debug模式不生成dsym和开启Build Active Architecture并且关闭编译器优化Only

整理学习 iOS Principle 一系列的文章，每篇开头归结知识点，帮助记忆

一.相关概念

历史原因

2000年，伊利诺伊大学厄巴纳－香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign 简称UIUC）这所享有世界声望的一流公立研究型大学的 Chris Lattner（他的 twitter @clattner_llvm ） 开发了一个叫作 Low Level Virtual Machine 的编译器开发工具套件，后来涉及范围越来越大，可以用于常规编译器，JIT编译器，汇编器，调试器，静态分析工具等一系列跟编程语言相关的工作，于是就把简称 LLVM 这个简称作为了正式的名字。Chris Lattner 后来又开发了 Clang，使得 LLVM 直接挑战 GCC 的地位。2012年，LLVM 获得美国计算机学会 ACM 的软件系统大奖，和 UNIX，WWW，TCP/IP，Tex，JAVA 等齐名。

Chris Lattner 生于 1978 年，2005年加入苹果，将苹果使用的 GCC 全面转为 LLVM。2010年开始主导开发 Swift 语言。

iOS 开发中 Objective-C 是 Clang / LLVM 来编译的。

Swift 是 Swift / LLVM，其中 Swift 前端会多出 SIL optimizer，它会把 .swift 生成为中间代码 .sil 属于 High-Level IR， 因为 Swift 在编译时就完成了方法绑定，直接通过地址调用属于强类型语言，方法调用不再是像OC那样的消息发送，这样编译就可以获得更多的信息用在后面的后端优化上。

LLVM是一个模块化和可重用的编译器和工具链技术的集合，Clang 是 LLVM 的子项目，是 C，C++ 和 Objective-C 编译器，目的是提供惊人的快速编译，比 GCC 快3倍，其中的 clang static analyzer 主要是进行语法分析，语义分析和生成中间代码，当然这个过程会对代码进行检查，出错的和需要警告的会标注出来。LLVM 核心库提供一个优化器，对流行的 CPU 做代码生成支持。lld 是 Clang / LLVM 的内置链接器，clang 必须调用链接器来产生可执行文件。

这里是 Clang 官方详细文档： Welcome to Clang’s documentation! — Clang 4.0 documentation

这篇是对 LLVM 架构的一个概述： The Architecture of Open Source Applications

将编译器之前对于编译的前世今生也是需要了解的，比如回答下这个问题，编译器程序是用什么编译的？看看 《linkers and loaders》这本书就知道了。

LLVM 与 Clang 介绍

LLVM 是 Low Level Virtual Machine 的简称，这个库提供了与编译器相关的支持，能够进行程序语言的编译期优化、链接优化、在线编译优化、代码生成。简而言之，可以作为多种语言编译器的后台来使用。如果这样还比较抽象的话，介绍下 Clang 就知道了：

Clang 是一个 C++ 编写、基于 LLVM、发布于 LLVM BSD 许可证下的 C/C++/Objective C/Objective C++ 编译器，其目标（之一）就是超越 GCC。

Clang 开发事出有因，Wiki 介绍如下：

Apple 使用 LLVM 在不支持全部 OpenGL 特性的 GPU (Intel 低端显卡) 上生成代码 (JIT)，令程序仍然能够正常运行。之后 LLVM 与 GCC 的集成过程引发了一些不快，GCC 系统庞大而笨重，而 Apple 大量使用的 Objective-C 在 GCC 中优先级很低。此外 GCC 作为一个纯粹的编译系统，与 IDE 配合很差。加之许可证方面的要求，Apple 无法使用修改版的 GCC 而闭源。于是 Apple 决定从零开始写 C family 的前端，也就是基于 LLVM 的 Clang 了。

Clang 的特性：

• 快：通过编译 OS X 上几乎包含了所有 C 头文件的 carbon.h 的测试，包括预处理 (Preprocess)，语法 (lex)，解析 (parse)，语义分析 (Semantic Analysis)，抽象语法树生成 (Abstract Syntax Tree) 的时间，Clang 是 Apple GCC 4.0 的 2.5x 快。(2007-7-25)
• 内存占用小：Clang 内存占用是源码的 130%，Apple GCC 则超过 10x。
• 诊断信息可读性强：我不会排版，推荐去网站观看。其中错误的语法不但有源码提示，还会在错误的调用和相关上下文的下方有~~~~~和^的提示，相比之下 GCC 的提示很天书。
• GCC 兼容性。
• 设计清晰简单，容易理解，易于扩展增强。与代码基础古老的 GCC 相比，学习曲线平缓。
• 基于库的模块化设计，易于 IDE 集成及其他用途的重用。由于历史原因，GCC 是一个单一的可执行程序编译器，其内部完成了从预处理到最后代码生成的全部过程，中间诸多信息都无法被其他程序重用。Clang 将编译过程分成彼此分离的几个阶段，AST 信息可序列化。通过库的支持，程序能够获取到 AST 级别的信息，将大大增强对于代码的操控能力。对于 IDE 而言，代码补全、重构是重要的功能，然而如果没有底层的支持，只使用 tags 分析或是正则表达式匹配是很难达成的。

当然，GCC 也有其优势：

• 支持 JAVA/ADA/FORTRAN
• 当前的 Clang 的 C++ 支持落后于 GCC，参见。（近日 Clang 已经可以自编译，见）
• GCC 支持更多平台
• GCC 更流行，广泛使用，支持完备
• GCC 基于 C，不需要 C++ 编译器即可编译

iOS 开发中用途

一般可以将编程语言分为两种，编译语言和直译式语言。

• 编译语言:像C++,Objective C都是编译语言。编译语言在执行的时候，必须先通过编译器生成机器码，机器码可以直接在CPU上执行，所以执行效率较高。
• 直译式语言:像JavaScript,Python都是直译式语言。直译式语言不需要经过编译的过程，而是在执行的时候通过一个中间的解释器将代码解释为CPU可以执行的代码。所以，较编译语言来说，直译式语言效率低一些，但是编写的更灵活，也就是为啥JS大法好。

iOS开发目前的常用语言是：Objective和Swift。二者都是编译语言，换句话说都是需要编译才能执行的。二者的编译都是依赖于Clang + LLVM.

iOS编译

不管是OC还是Swift，都是采用Clang作为编译器前端，LLVM(Low level vritual machine)作为编译器后端。所以简单的编译过程如图

编译器前端

编译器前端的任务是进行：语法分析，语义分析，生成中间代码(intermediate representation )。在这个过程中，会进行类型检查，如果发现错误或者警告会标注出来在哪一行。

编译器后端

编译器后端会进行机器无关的代码优化，生成机器语言，并且进行机器相关的代码优化。iOS的编译过程，后端的处理如下

• LVVM优化器会进行BitCode的生成，链接期优化等等。

LLVM机器码生成器会针对不同的架构，比如arm64等生成不同的机器码。

执行一次 XCode build 的流程

当你在XCode中，选择build的时候(快捷键command+B)，会执行如下过程

• 编译信息写入辅助文件，创建编译后的文件架构(name.app)
• 处理文件打包信息，例如在debug环境下

Entitlements:
{
   "application-identifier" = "app的bundleid";
   "aps-environment" = development;
}

• 执行CocoaPod编译前脚本(例如对于使用CocoaPod的工程会执行CheckPods Manifest.lock)

• 编译各个.m文件，使用CompileC和clang命令。

CompileC ClassName.o ClassName.m normal x86_64 objective-c com.apple.compilers.llvm.clang.1_0.compiler
export LANG=en_US.US-ASCII
export PATH="..."
clang -x objective-c -arch x86_64 -fmessage-length=0 -fobjc-arc... -Wno-missing-field-initializers ... -DDEBUG=1 ... -isysroot iPhoneSimulator10.1.sdk -fasm-blocks ... -I 上文提到的文件 -F 所需要的Framework  -iquote 所需要的Framework  ... -c ClassName.c -o ClassName.o

通过这个编译的命令，我们可以看到

• clang是实际的编译命令
• x objective-c 指定了编译的语言
• arch x86_64制定了编译的架构，类似还有arm7等
• fobjc-arc 一些列-f开头的，指定了采用arc等信息。这个也就是为什么你可以对单独的一个.m文件采用非ARC编程。
• Wno-missing-field-initializers 一系列以-W开头的，指的是编译的警告选项，通过这些你可以定制化编译选项
• DDEBUG=1 一些列-D开头的，指的是预编译宏，通过这些宏可以实现条件编译
• iPhoneSimulator10.1.sdk 制定了编译采用的iOS SDK版本
• I 把编译信息写入指定的辅助文件
• F 链接所需要的Framework
• c ClassName.c 编译文件
• o ClassName.o 编译产物