Clang - 将C头编译为LLVM IR/bitcode

Question

假设我有以下简单的C头文件:

// foo1.h
typedef int foo;

typedef struct {
  foo a;
  char const* b;
} bar;

bar baz(foo*, bar*, ...);

我的目标是获取此文件,并生成一个如下所示的LLVM模块:

%struct.bar = type { i32, i8* }
declare { i32, i8* } @baz(i32*, %struct.bar*, ...)

换句话说,将.h带有声明的C 文件转换为等效的LLVM IR,包括类型分辨率,宏扩展等.

通过Clang传递它来生成LLVM IR会产生一个空模块(因为实际上没有使用任何定义):

$ clang -cc1 -S -emit-llvm foo1.h -o - 
; ModuleID = 'foo1.h'
target datalayout = "e-m:o-i64:64-f80:128-n8:16:32:64-S128"
target triple = "x86_64-apple-darwin13.3.0"

!llvm.ident = !{!0}

!0 = metadata !{metadata !"clang version 3.5 (trunk 200156) (llvm/trunk 200155)"}

我的第一直觉是转向谷歌,我遇到了两个相关的问题:一个来自邮件列表,另一个来自StackOverflow.两者都建议使用-femit-all-decls标志,所以我尝试了:

$ clang -cc1 -femit-all-decls -S -emit-llvm foo1.h -o -
; ModuleID = 'foo1.h'
target datalayout = "e-m:o-i64:64-f80:128-n8:16:32:64-S128"
target triple = "x86_64-apple-darwin13.3.0"

!llvm.ident = !{!0}

!0 = metadata !{metadata !"clang version 3.5 (trunk 200156) (llvm/trunk 200155)"}

结果相同.

我也尝试过禁用优化(使用-O0和-disable-llvm-optzns),但这对输出没有影响.使用以下变体确实产生了所需的IR:

// foo2.h
typedef int foo;

typedef struct {
  foo a;
  char const* b;
} bar;

bar baz(foo*, bar*, ...);

void doThings() {
  foo a = 0;
  bar myBar;
  baz(&a, &myBar);
}

然后运行:

$ clang -cc1 -S -emit-llvm foo2.h -o -
; ModuleID = 'foo2.h'
target datalayout = "e-m:o-i64:64-f80:128-n8:16:32:64-S128"
target triple = "x86_64-apple-darwin13.3.0"

%struct.bar = type { i32, i8* }

; Function Attrs: nounwind
define void @doThings() #0 {
entry:
  %a = alloca i32, align 4
  %myBar = alloca %struct.bar, align 8
  %coerce = alloca %struct.bar, align 8
  store i32 0, i32* %a, align 4
  %call = call { i32, i8* } (i32*, %struct.bar*, ...)* @baz(i32* %a, %struct.bar* %myBar)
  %0 = bitcast %struct.bar* %coerce to { i32, i8* }*
  %1 = getelementptr { i32, i8* }* %0, i32 0, i32 0
  %2 = extractvalue { i32, i8* } %call, 0
  store i32 %2, i32* %1, align 1
  %3 = getelementptr { i32, i8* }* %0, i32 0, i32 1
  %4 = extractvalue { i32, i8* } %call, 1
  store i8* %4, i8** %3, align 1
  ret void
}

declare { i32, i8* } @baz(i32*, %struct.bar*, ...) #1

attributes #0 = { nounwind "less-precise-fpmad"="false" "no-frame-pointer-elim"="false" "no-infs-fp-math"="false" "no-nans-fp-math"="false" "no-realign-stack" "stack-protector-buffer-size"="8" "unsafe-fp-math"="false" "use-soft-float"="false" }
attributes #1 = { "less-precise-fpmad"="false" "no-frame-pointer-elim"="false" "no-infs-fp-math"="false" "no-nans-fp-math"="false" "no-realign-stack" "stack-protector-buffer-size"="8" "unsafe-fp-math"="false" "use-soft-float"="false" }

!llvm.ident = !{!0}

!0 = metadata !{metadata !"clang version 3.5 (trunk 200156) (llvm/trunk 200155)"}

除了占位符doThings,这正是我想要输出的样子!问题是这需要1.)使用标题的修改版本,以及2.)事先知道事物的类型.这导致我......

为什么？

基本上,我正在使用LLVM构建一种语言实现来生成代码.该实现应该通过仅指定C头文件和关联的lib(无手动声明)来支持C interop,然后编译器将在链接时使用它以确保函数调用与其签名匹配.因此,我将问题缩小到2种可能的解决方案:

1. 将头文件转换为LLVM IR/bitcode,然后可以获取每个函数的类型签名
2. 使用libclang解析头,然后查询从得到的AST类型(我的"最后一招"的情况下,没有足够的答案这个问题)

TL; DR

我需要获取一个C头文件(如上所述foo1.h),并且在不更改它的情况下,使用Clang,OR生成上述预期的LLVM IR,找到从C头文件获取函数签名的另一种方法(最好使用libclang或构建C解析器) )

Answer 1

也许是不太优雅的解决方案，但保留了doThings强制编译器发出 IR 的函数的想法，因为使用了定义：

您发现这种方法的两个问题是，它需要修改标头，并且需要更深入地了解所涉及的类型，以便生成要放入函数中的“用途”。这两个问题都可以相对简单地克服：

1. 它不是直接编译标头，而是#include从包含所有“使用”代码的 .c 文件（或更可能是其预处理版本或多个标头）编译标头。足够简单：

   // foo.c
   #include "foo.h"
   void doThings(void) {
       ...
   }
   

2. 您不需要详细的类型信息来生成名称的特定用法、将结构实例化与参数相匹配以及上面“使用”代码中的所有复杂性。您实际上不需要自己收集函数签名。

   您所需要的只是名称本身的列表，并跟踪它们是用于函数还是对象类型。然后，您可以重新定义“uses”函数，如下所示：

   void * doThings(void) {
       typedef void * (*vfun)(void);
       typedef union v { void * o; vfun f; } v;
   
       return (v[]) {
           (v){ .o = &(bar){0} },
           (v){ .f = (vfun)baz },
       };
   }
   

   这极大地简化了名称的必要“使用”，要么将其转换为统一的函数类型（并获取其指针而不是调用它），要么将其包装在&(and中){0}（无论它是什么，都将其实例化）。这意味着您根本不需要存储实际的类型信息，只需存储您在标头中提取名称的上下文类型。

   （显然，为虚拟函数和占位符类型提供扩展的唯一名称，这样它们就不会与您实际想要保留的代码发生冲突）

这极大地简化了解析步骤，因为您只需要识别结构/联合或函数声明的上下文，而实际上不需要对周围的信息进行太多处理。

一个简单但黑客的起点（我可能会使用它，因为我的标准很低：D）可能是：

• grep 通过标头查找#include采用尖括号参数的指令（即您不想为其生成声明的已安装标头）。
• 使用此列表创建一个虚拟包含文件夹，其中包含所有必需的包含文件，但为空
• 对其进行预处理，希望能够简化语法（clang -E -I local-dummy-includes/ -D"__attribute__(...)=" foo.h > temp/foo_pp.h或类似的东西）
• grep 通过 forstruct或union后跟一个名称，}后跟一个名称或name (，并使用这个极其简化的非解析来构建虚拟函数中的使用列表，并发出 .c 文件的代码。

它不会捕捉到所有的可能性；但通过一些调整和扩展，它实际上可能会处理实际标头代码的很大一个子集。您可以在稍后阶段用专用的简化解析器（仅用于查看所需上下文模式的解析器）替换它。