LLVM是一套編譯器基礎設施專案，為自由軟件，以C++寫成，包含一系列模組化的編譯器組件和工具鏈，用來開發編譯器前端和後端。它是為了任意一種程式語言而寫成的程式，利用虛擬技術創造出編譯時期、鏈結時期、執行時期以及「閒置時期」的最佳化。
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| 原作者 | Chris Lattner, Vikram Adve |
|---|---|
| 開發者 | LLVM開發團隊 |
| 首次釋出 | 2003 |
| 目前版本 | 19.1.6[1] （2024年12月17日） |
| 原始碼庫 | |
| 程式語言 | C++ |
| 作業系統 | 跨平台 |
| 類型 | 編譯器 |
| 特許條款 | 帶有LLVM例外的Apache特許條款2.0 |
| 網站 | www |
它最早以C/C++為實作對象，而目前它已支援包括ActionScript、Ada、D語言、Fortran、GLSL、Haskell、Java位元組碼、Objective-C、Swift、Python、Ruby、Crystal、Rust、Scala[2]以及C#[3]等語言。
歷史
LLVM專案的發展起源於2000年伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校維克拉姆·艾夫（Vikram Adve）與克里斯·拉特納（Chris Lattner）的研究，他們想要為所有靜態及動態語言創造出動態的編譯技術。LLVM是以BSD特許來發展的開源軟件。2005年，蘋果電腦僱用了克里斯·拉特納及他的團隊為蘋果電腦開發應用程式系統[4]，LLVM為現今macOS及iOS開發工具的一部分。
LLVM的命名最早源自於底層虛擬機器（Low Level Virtual Machine）的首字母縮寫[5]，由於這個專案的範圍並不侷限於建立一個虛擬機器，這個縮寫導致了廣泛的疑惑。LLVM開始成長之後，成為眾多編譯工具及低階工具技術的統稱，使得這個名字變得更不貼切，開發者因而決定放棄這個縮寫的意涵[6]，現今LLVM已單純成為一個系統，適用於LLVM下的所有專案，包含LLVM中介碼（LLVM IR）、LLVM除錯工具、LLVM C++標準函式庫等。
因LLVM對產業的貢獻，電腦協會於2012年將ACM軟件系統獎授與維克拉姆·艾夫、克里斯·拉特納及Evan Cheng[7]。
自9.0.0版本開始，LLVM使用帶有LLVM額外條款的Apache特許條款2.0進行授權[8]。而從2019年10月開始，LLVM專案的代碼寄存正式遷移到了GitHub[9]。
描述
LLVM提供了一套適合編譯器系統的中間語言（Intermediate Representation，IR），有大量變換和最佳化都圍繞其實現。經過變換和最佳化後的中間語言，可以轉換為目標平台相關的匯編語言代碼。LLVM可以和GCC工具鏈一起工作，允許它與為該專案編寫的大量現有編譯器一起使用。LLVM還可以在編譯、連結時生成可重定位代碼（Relocatable Code），甚至在執行時生成二進制機械碼。
LLVM的中間語言與具體的語言、指令集、型別系統無關，其中每條指令都是靜態單賦值形式（SSA）， 即每個變數只能被賦值一次。這有助於簡化變數之間的依賴分析。LLVM允許靜態編譯代碼，或者通過即時編譯（JIT）機制將中間表示轉換為機械碼（類似Java）。
LLVM支援與語言無關的指令集架構及類型系統[10]。每個指令都處在靜態單賦值形式（SSA）下代表着，每個變數（被稱為具有型別的暫存器）僅被賦值一次，這簡化了變數間相依性的分析。LLVM允許程式碼被靜態的編譯，包含在傳統的GCC系統底下，或是類似JAVA等後期編譯才將IF編譯成機械碼所使用的即時編譯（JIT）技術。它的型別系統包含基本型別（整數或是浮點數）及五個複合型別（指標、陣列、向量、結構及函數），在LLVM具體語言的型別建制可以以結合基本型別來表示，舉例來說，C++所使用的class可以被表示為結構、函數及函數指標的陣列所組成。
LLVM JIT編譯器可以最佳化在執行時期時程式所不需要的靜態分支，這在一些部份求值（Partial Evaluation）的案例中相當有效，即當程式有許多選項，而在特定環境下其中多數可被判斷為是不需要。這個特色被使用在Mac OS X Leopard（v10.5）底下OpenGL的管線化，當硬件不支援某個功能時依然可以被成功地運作[11]。OpenGL堆疊下的繪圖程式被編譯為IR，接着在機器上執行時被編譯，當系統擁有高階GPU時，這段程式會進行極少的修改並將傳遞指令給GPU，當系統擁有低階的GPU時，LLVM將會編譯更多的程式，使這段GPU無法執行的指令在本地端的中央處理器執行。LLVM增進了使用Intel GMA晶片等低階機器的效能。一個類似的系統發展於Gallium3D LLVMpipe，它已被合併到GNOME，使其可運行在沒有GPU的環境[12]。
根據2011年的一項測試，GCC在執行時期的效能平均比LLVM高10%[13][14]。而2013年測試顯示，LLVM可以編譯出接近GCC相同效能的執行碼[15]。
編譯器
LLVM已經成為多個編譯器和代碼生成相關子專案的母專案。
LLVM最初被用來取代GCC中的程式碼產生器[16]，許多GCC的前端已經可以與其運行，LLVM目前支援Ada、C語言、C++、D語言、Fortran、Haskell、Julia、Objective-C、Rust及Swift的編譯，它使用許多的編譯器，有些來自4.0.1及4.2的GCC。
LLVM引發一些人來為許多語言開發新的編譯器，其中一個最引發注意的就是Clang，它是一個新的編譯器，同時支援C、Objective-C以及C++。主要來自蘋果電腦的支援，Clang的目的用以取代GCC系統底下的C/Objective-C編譯器，在當代的系統，他較為容易與整合式開發環境（IDE）整合，而且對於線程有更好的支援。Clang從3.8版本開始已經支援OpenMP[17]。GCC底下Objective-C的開發已經停滯，而蘋果電腦已經將其支援移至其他的維護分支。
Utrecht Haskell編譯器可以產生LLVM使用的程式碼，但它還在初期的開發階段，並且在許多案例，展示他比起C程式碼產生器擁有更好的效率[18] Glasgow Haskell Compiler（GHC）擁有一個可以運作的LLVM後端，程式執行效能對比起原先的編譯器可以達到30%的加速，它僅比一個由GHC所實現，並擁有多項最佳化技術的編譯器還慢[19]
還有其他的元件在不同的開發階段，包含（但不限於）Java bytecode[20]、通用中間語言（CIL）、MacRuby（實現Ruby 1.9）、Standard ML及新的graph coloring暫存器組態. [來源請求]
LLVM的核心是中間表示（Intermediate Representation，IR），一種類似組譯的底層語言。IR是一種強型別的精簡指令集（Reduced Instruction Set Computing，RISC），並對目標指令集進行了抽象。例如，目標指令集的函數呼叫慣例被抽象為call和ret指令加上明確的參數。另外，IR採用無限個數的暫存器，使用如%0，%1等形式表達。LLVM支援三種表達形式：人類可讀的組譯，在C++中對象形式和序列化後的bitcode形式。
例如，一個簡單的Hello World程式可以表達為如下的組譯形式。對IR語言的完整描述請參考LLVM官方文件[21]：
@.str = internal constant [14 x i8] c"hello, world\0A\00"
declare i32 @printf(i8*, ...)
define i32 @main(i32 %argc, i8** %argv) nounwind {
entry:
%tmp1 = getelementptr [14 x i8], [14 x i8]* @.str, i32 0, i32 0
%tmp2 = call i32 (i8*, ...) @printf( i8* %tmp1 ) nounwind
ret i32 0
}
至11.0版本，LLVM已經支援多種後端指令集，包括ARM、Qualcomm Hexagon、MIPS、Nvidia並列指令集（LLVM中稱為NVPTX），PowerPC、AMD TeraScale[22]、AMDGPU、SPARC、SystemZ、RISC-V、WebAssembly、x86、x86-64和XCore。
LLVM包含一個專門的MC模組，將機器指令在文字形式和機械碼形式間相互轉換。在之前LLVM依靠系統或是平台專門的工具鏈將組譯翻譯為機械碼。LLVM機械碼的整合組譯器已經支援絕大多數LLVM的目標平台。
lld連結器子專案旨在為LLVM開發一個內建的，平台獨立的連結器[23]，去除對所有第三方連結器的依賴。在2017年5月，lld已經支援ELF、PE/COFF、 和Mach-O。在lld支援不完全的情況下，用戶可以使用其他專案，如GNU ld連結器。 lld支援連結時最佳化。當LLVM連結時最佳化被啟用時，LLVM可以輸出bitcode而不是本機代碼，而本機代碼生成由連結器最佳化處理。
另見
參考文獻
外部連結
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