LLVM IRを気軽に勉強してみる

全力で要約すると

想定する読者

このC言語プログラムを理解できる人

#include<stdio.h>
int main() {
  printf("Hello, world");
  return 0;
}

想定する開発環境

• llvm, clang がインストール済みの Linux

単純なプログラムをLLVM IRに変換してみる

int main() {
  return 334;
}

↑これを、clang -S -emit-llvm -O0 test.c コマンドで LLVM IR に変換すると…

↓こんなファイルが出力されます。要らなそうな部分は消しました。

define i32 @main() #0 {
  ret i32 334
}

↓容易に想像できることをまとめてみました。

わからないことには↑の「謎(1)」のようにチェックをつけていきます。
まぁ、そのうちわかるんでしょう、たぶん。

変数を使ったプログラムを変換してみる

int main() {
  int a = 2;
  return a;
}

define i32 @main() #0 {
  %1 = alloca i32, align 4
  %2 = alloca i32, align 4
  store i32 0, i32* %1, align 4
  store i32 2, i32* %2, align 4
  %3 = load i32, i32* %2, align 4
  ret i32 %3
}

%1, %2, %3 のような、% から始まるものはレジスタを示します。

以下で紹介する alloca, store, load はメモリアクセス演算子です。

やっとわかってきました。main 関数の処理の流れを整理します。

1. 2 つの i32 型データのために 2 箇所メモリ確保して、それぞれのアドレスを %1 , %2 に格納する
2. %1 に値 0 を、%2 に値 2 を格納する
3. %2 の値を %3 に格納する
4. %3 の値を終了コードとして返す

要は『メモリに 0 と 2 を書き込んで、2 の方を終了コードとする』ってことです。
ん？ 0 をメモリに書き込ん消してみますだのはなぜ？その処理、いらなくね？

思い切って、要らなそうな行を消してみます。

define i32 @main() #0 {
  %1 = alloca i32, align 4
  store i32 2, i32* %1, align 4
  %2 = load i32, i32* %1, align 4
  ret i32 %2
}

↓実行してみました

$ lli test_re.ll; echo $?
2

やっぱりね！初めて自分が書いたLLVM IRを動かすことができました！はい拍手！！

でも、なんで 0 を書き込む処理が含まれていたのでしょうか…？
それは、まだ初期化されていない変数にはでたらめな値が入っていて、ここでは a にまず 0 が代入されるからです。

でも、最適化処理を行うと、 0 を書き込む処理はなくなります。試してみます。

$ clang -S -emit-llvm -O1 test2.c
$ lli test2.ll; echo $?
2

int main() {
  int a = 2;
  int b = 3;
  return a + b;
}

define i32 @main() #0 {
  %1 = alloca i32, align 4
  %2 = alloca i32, align 4
  %3 = alloca i32, align 4
  store i32 0, i32* %1, align 4
  store i32 2, i32* %2, align 4
  store i32 3, i32* %3, align 4
  %4 = load i32, i32* %2, align 4
  %5 = load i32, i32* %3, align 4
  %6 = add nsw i32 %4, %5
  ret i32 %6
}

int main() {
  int a = 2;
  int b = 3;
  return a + b;
}

```
## 関数定義を含むプログラムを変換してみる
```c:test5.c
int main() {
  return add(1, 2);
}
int add(int x, int y) {
  return x + y;
}

text:test5.ll