【AI系统】LLVM 前端和优化层
LLVM 前端和优化层
在上一篇文章讲到了 LLVM 的 IR 贯穿了 LLVM 编译器的全生命周期，里面的每一个箭头都是一个 IR 的过程，这个就是整体 LLVM 最重要的核心概念。
有了 LVM IR 之后这并不意味着 LLVM 或者编译器的整个 Pipeline 都是使用一个单一的 IR，而是在编译的不同阶段会采用不同的数据结构，但总体来说还是会维护一个比较标准的 IR。接下来本文就具体的介绍一下 LLVM 的前端和优化层。
LLVM 前端 - Clang
LLVM 的前端其实是把源代码也就是 C、C++、Python 这些高级语言变为编译器的中间表示 LLVM IR 的过程。
这个阶段属于代码生成之前的过程，和硬件与目标无关，所以在前端的最后一个环节是 IR 的生成
Clang 是一个强大的编译器工具，作为 LLVM 的前端承担着将 C、C++ 和 Objective-C 语言代码转换为 LLVM 中间表示（IR）的任务。
通过 Clang 的三个关键步骤：词法分析、语法分析和语义分析，源代码被逐步转化为高效的中间表示形式，为进一步的优化和目标代码生成做准备。
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词法分析阶段负责将源代码分解为各种标记的流，例如关键字、标识符、运算符和常量等，这些标记构成了编程语言的基本单元。
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语法分析器则负责根据编程语言的语法规则，将这些标记流组织成符合语言语法结构的语法树。
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语义分析阶段则确保语法树的各部分之间的关系和含义是正确的，比如类型匹配、变量声明的范围等，以确保程序的正确性和可靠性。
每个编程语言前端都会有自己的词法分析器、语法分析器和语义分析器，它们的任务是将程序员编写的源代码转换为通用的抽象语法树（AST），这样可以为后续的处理步骤提供统一的数据结构表示。AST 是程序的一个中间表示形式，它便于进行代码分析、优化和转换。
词法分析
前端的第一个步骤处理源代码的文本输入，词法分析 lexical analyze 用于标记源代码，将语言结构分解为一组单词和标记，去除注释、空白、制表符等。每个单词或者标记必须属于语言子集，语言的保留字被变换为编译器内部表示。
首先我们编写代码 hello.c，内容如下：
#include
#define HELLOWORD ("Hello World\n")
int main() {
printf(HELLOWORD);
return 0;
}
对 hello.c 文件进行词法分析，执行以下代码：
clang -cc1 -dump-tokens hello.c
词法分析输出如下：
int 'int' [StartOfLine] Loc=
identifier 'main' [LeadingSpace] Loc=
l_paren '(' Loc=
void 'void' Loc=
r_paren ')' Loc=
l_brace '{' Loc=
identifier 'printf' [StartOfLine] [LeadingSpace] Loc=
l_paren '(' Loc=
l_paren '(' Loc=>
string_literal '"hello world\n"' Loc=>
r_paren ')' Loc=>
r_paren ')' Loc=
semi ';' Loc=
return 'return' [StartOfLine] [LeadingSpace] Loc=
numeric_constant '0' [LeadingSpace] Loc=
semi ';' Loc=
r_brace '}' [StartOfLine] Loc=
eof '' Loc=
编译器通过词法分析过程将源代码解析为一系列符号，并准确记录它们在源文件中的位置。每个符号都被赋予一个 SourceLocation 类的实例，以便表示其在源文件中的确切位置，例如 Loc= 表示该符号出现在文件 hello.c 的第 6 行第 11 个位置。这种位置信息的精确记录为后续的语法分析和语义分析提供了重要的基础。
词法分析过程同时也在建立符号与位置之间的映射关系。这种精细的位置记录有助于编译器更好地理解代码的结构，并能够更有效地进行编译和优化。此外，它为程序员提供了更准确的编译器信息反馈，帮助他们更好地理解和调试代码。
在编译器的工作流程中，这种精准的位置记录和符号切分过程至关重要，为后续阶段的处理提供了可靠的基础，也为代码分析提供了更深层次的支持。
语法分析
分组标记的目的是为了形成语法分析器（Syntactic Analyze）可以识别并验证其正确性的数据结构，最终构建出抽象语法树（AST）。通过将代码按照特定规则进行分组，使得语法分析器能够逐级检查每个标记是否符合语法规范。
在分组标记的过程中，可以通过不同的方式对表达式、语句和函数体等不同类型的标记进行分类。这种层层叠加的分组结构可以清晰地展现代码的层次结构，类似于树的概念。对于语法分析器而言，并不需要深入分析代码的含义，只需验证其结构是否符合语法规则。
对 hello.c 文件进行语法分析，执行以下代码：
clang -fsyntax-only -Xclang -ast-dump hello.c
语法分析输出如下：
TranslationUnitDecl 0x1c08a71cf28 <<invalid sloc>> <invalid sloc>
|-TypedefDecl 0x1c08a71d750 <<invalid sloc>> <invalid sloc> implicit __int128_t '__int128'
| `-BuiltinType 0x1c08a71d4f0 '__int128'
|-TypedefDecl 0x1c08a71d7c0 <<invalid sloc>> <invalid sloc> implicit __uint128_t 'unsigned __int128'
| `-BuiltinType 0x1c08a71d510 'unsigned __int128'
|-TypedefDecl 0x1c08a71dac8 <<invalid sloc