LLVM系列第二十七章：理解IRBuilder

系列文章目录

LLVM系列第一章：编译LLVM源码
LLVM系列第二章：模块Module
LLVM系列第三章：函数Function
LLVM系列第四章：逻辑代码块Block
LLVM系列第五章：全局变量Global Variable
LLVM系列第六章：函数返回值Return
LLVM系列第七章：函数参数Function Arguments
LLVM系列第八章：算术运算语句Arithmetic Statement
LLVM系列第九章：控制流语句if-else
LLVM系列第十章：控制流语句if-else-phi
LLVM系列第十一章：写一个Hello World
LLVM系列第十二章：写一个简单的词法分析器Lexer
LLVM系列第十三章：写一个简单的语法分析器Parser
LLVM系列第十四章：写一个简单的语义分析器Semantic Analyzer
LLVM系列第十五章：写一个简单的中间代码生成器IR Generator
LLVM系列第十六章：写一个简单的编译器
LLVM系列第十七章：for循环
LLVM系列第十八章：写一个简单的IR处理流程Pass
LLVM系列第十九章：写一个简单的Module Pass
LLVM系列第二十章：写一个简单的Function Pass
LLVM系列第二十一章：写一个简单的Loop Pass
LLVM系列第二十二章：写一个简单的编译时函数调用统计器(Pass)
LLVM系列第二十三章：写一个简单的运行时函数调用统计器(Pass)
LLVM系列第二十四章：用Xcode编译调试LLVM源码
LLVM系列第二十五章：简单统计一下LLVM源码行数
LLVM系列第二十六章：理解LLVMContext
LLVM系列第二十七章：理解IRBuilder

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前言

在此，记录下对LLVM源码中IRBuilder这个类的理解，以备查阅。

How

我们先来看看IRBuilder是怎么用的（示例）：

#include "llvm/IR/BasicBlock.h"
#include "llvm/IR/Function.h"
#include "llvm/IR/IRBuilder.h"
#include "llvm/IR/LLVMContext.h"
#include "llvm/IR/Module.h"

using namespace llvm;

int main(int argc, char* argv[])
{
    
    LLVMContext context;
    IRBuilder<> builder(context);

    // Create a module
    Module* module = new Module("HelloModule", context);

    // Add a function
    Type* int32Type = builder.getInt32Ty();
    FunctionType* functionType = FunctionType::get(int32Type, false);
    Function* function = Function::Create(functionType, GlobalValue::ExternalLinkage, "HelloFunction", module);

    // Create a block
    BasicBlock* block = BasicBlock::Create(context, "entry", function);
    builder.SetInsertPoint(block);

    // Add a return
    ConstantInt* zero = builder.getInt32(0);
    builder.CreateRet(zero);

    // Print the IR
    module->print(outs(), nullptr);

    return 0;
}

其生成的IR代码如下（示例）：

; ModuleID = 'HelloModule'
source_filename = "HelloModule"

define i32 @HelloFunction() {
    
entry:
  ret i32 0
}

从以上例子可以看出来，使用IRBuilder之前需要初始化（示例）：

    IRBuilder<> builder(context);

注意到它是个模板类，这是具体定义（示例）：

template <typename FolderTy = ConstantFolder,
          typename InserterTy = IRBuilderDefaultInserter>
class IRBuilder : public IRBuilderBase {
    
  ...
};

我们用它来获取了一个整数类型（示例）：

    Type* int32Type = builder.getInt32Ty();

我们还用它来创建了一个return指令（示例）：

    // Create a block
    BasicBlock* block = BasicBlock::Create(context, "entry", function);
    builder.SetInsertPoint(block);

    // Add a return
    ConstantInt* zero = builder.getInt32(0);
    builder.CreateRet(zero);

具体来说，以上代码创建了一个代码块(Basic Block)，并向代码块中插入了一个return语句，它返回了整数0。

Why

IRBuilder的作用其实比较纯粹，它的存在就是为了让我们方便快捷地创建IR指令（Instruction）。

注意，IRBuilder并不是全能的，它并没有把所有与创建IR有关的API都集成进来。如果要使用其它未集成的API，可以在创建好指令之后，直接对指令进行操作，比如直接调用LoadInst::setVolatile()等各种Instruction的成员函数。

所以，就算没有IRBuilder，我们照样能用LLVM提供的“原始的”C++ API来创建出所有的Instruction。使用IRBuilder，只是能让我们用稍微少点的代码且稍微快捷一点地创建出Instruction而已。

What

由以上可以看出，IRBuilder就是一个工具，它提供了一套统一的API，以便用户用来创建IR指令(Instruction)，并插入到代码块中。插入的位置可以是在代码块的结尾处，也可以是在代码块中的其它位置。当每次插入Intruction之后，IRBuilder都会更新并记录下新的插入点，以便下一次能插到正确的位置。

另外，IRBuilder还能用来方便地创建数学运算指令，包括整数和float等数学运算指令。

从前面的例子程序及其描述中，我们已经知道IRBuilder是个模板类（示例）：

template <typename FolderTy = ConstantFolder,
          typename InserterTy = IRBuilderDefaultInserter>
class IRBuilder : public IRBuilderBase {
    
  ...
};

第一个模板参数指定了用于创建常量的工具类(Folder)。如果未指定，则默认创建的是一个“最简折叠常量”(Minimally Folded Constant)，可以简单地理解为常量表达式的最终结果。

第二个模板参数指定了用于插入Instruction的工具类(Inserter)。它就像一个钩子(Hook)，是用户定制过的用来插入Instruction的Hook。它在每次IRBuilder向代码块中插入新的Instruction的时候调用。如果未指定，则默认使用IRBuilderDefaultInserter，这个Hook指定了“每次插入的位置总是当前最新的插入点”，即没有做位置上的偏移或跳跃。IRBuilderDefaultInserter的源代码如下（示例）：

class IRBuilderDefaultInserter {
    
public:
  virtual ~IRBuilderDefaultInserter();

  virtual void InsertHelper(Instruction *I, const Twine &Name,
                            BasicBlock *BB,
                            BasicBlock::iterator InsertPt) const {
    
    if (BB) BB->getInstList().insert(InsertPt, I);
    I->setName(Name);
  }
};

IRBuilder的工作方式是，首先指定当前代码块，然后逐指令插入（如调用 IRBuilder.CreateAdd 插入一条加法指令）。当完成了一个代码块后，通过IRBuilder.SetInsertPoint() 更改当前代码块。IRBuilder在其内部记录了当前的代码块(BasicBlock)，以及当前代码块中的当前指令。每次插入新的指令时，总是在当前指令的后面插入。

如果一条指令会生成一个结果（即一个新的静态单赋值 Static Single Assignment 变量），则意味着IRBuilder.CreateXxxx()就有一个返回值。该返回值的类型为 llvm::Value，可以用于代表这个SSA变量。如以下代码创建了一条加法指令，并把其结果用在return指令中（示例）：

    Value* arg1 = function->getArg(0);
    ConstantInt* three = builder.getInt32(3);
    Value* result = builder.CreateMul(arg1, three, "multiplyResult");

    builder.CreateRet(result);

（完整源码请参考：https://github.com/wuzhanglin/llvm-IR-examples/blob/main/07.ArithmeticStatement/HelloArithmeticStatement.cpp。）

其生成的IR代码如下（示例）：

  %multiplyResult = mul i32 %a, 3
  ret i32 %multiplyResult

总结

本章，我们简单地分析了一下LLVM API中的IRBuilder的作用和用法。

References

• https://clarazhang.gitbooks.io/compiler-f2017/content/llvmIRGen.html