第二部分
代码生成

代码生成是编译器后端的统称，在编译器的实现中占据着非常重要的地位，也是非常复杂的模块。以LLVM 15为例，整个项目代码行数超过1000万 ，其中Clang相关代码超过400万行，LLVM中端优化以及后端代码生成相关代码也有近400万行。其中代码生成相关代码量约为200万行，包含了架构无关的代码和架构相关的代码。其中，架构无关代码约为50万行，架构相关代码约为150万行。架构无关的代码主要包含了指令选择、指令调度、寄存器分配和机器码生成；架构相关代码量是LLVM所有支持的后端的代码总和。目前LLVM支持的后端已超过20种，有些后端的实现非常复杂，如x86后端的代码量超过了20万行，而有些又非常简单，如BPF后端的代码量只有1万行左右。

虽然代码生成模块非常复杂，但LLVM通过模块化的设计，将不同的功能设计为不同的Pass，然后进行组合，以完成代码生成。LLVM代码生成的整体逻辑如下图所示。

每个模块的主要工作简单总结如下。

1）指令选择：为LLVM IR选择合适的机器指令。LLVM实现了3种指令选择算法，分别是FastISel、SelectionDAGISel、GlobalISel。目前LLVM后端默认使用的是基于DAG的SelectionDAGISel指令选择算法，它在指令选择阶段引入了图IR，并使用图匹配的方法为LLVM IR生成MIR。值得注意的是，MIR不完全是目标无关的IR。（虽然MIR结构与后端无关，但是大部分MIR的操作码和具体后端相关，只有少数MIR操作码和后端无关，例如一些伪指令。）

2）指令调度-1：根据MIR中的数据依赖对指令进行调度。目前LLVM实现了几种指令调度策略，如表调度（list scheduling）、循环调度等。此时的优化也称为Pre-RA调度，目的在于减少寄存器分配过程中的压力。注意，在指令选择阶段也有指令调度（图中没有体现）。

3）编译优化-1：基于SSA形式的MIR进行编译优化，例如进行死代码删除、公共表达式消除等优化。

4）寄存器分配：将MIR中使用的逻辑寄存器映射到物理寄存器，目前LLVM中提供了4种寄存器分配算法，分别是Fast、Basic、Greedy和PBQP（划分布尔二次问题），可以通过命令参数regalloc指定。

5）前言/后序代码生成：为函数生成前言和后序代码，例如处理栈帧布局等。

6）编译优化-2：经过寄存器分配后的MIR为非SSA形式，可以再次执行一些编译优化，例如复制传播优化等。需要注意的是，此时执行的编译优化和SSA形式的优化的思路相同，但是因为MIR不再具有SSA的特点，所以导致优化算法实现也有所不同。

7）指令调度-2：再次执行指令调度，此时的优化也称为Post-RA调度，目的在于提高执行效率。

8）其他优化：执行机器码发射前的优化，例如执行基本块重排等优化，此处还允许后端实现自己特殊的优化。

9）机器码发射：寄存器分配完成后就可以进入机器码发射阶段（真正生成目标机器代码）。为了更好地生成目标代码，LLVM引入了MCInst IR（MC），可以更加优雅地处理JIT代码，以及汇编和反汇编代码。

BPF后端的代码生成过程大概涉及45个Pass（不同版本略有不同），上面提到的每个模块都有涉及。而其他一些复杂的后端，例如x86或者AArch64的代码生成过程涉及的Pass通常超过100个（BPF后端的Pass都包含在这100多个Pass中）。和BPF后端相比，这些额外的Pass多数是和后端优化相关的。

当然，要在书中将这45个Pass都详细地介绍也是不可能的事情，故而主要对最重要的一些Pass——指令选择、指令调度、寄存器分配、代码输出进行介绍。除此以外，本书还介绍了一些较为实用的优化Pass，例如If-Conversion（对GPGPU这样的特殊架构效果很好）、公共代码提取（对代码小型化有效果）、代码布局（对提升代码运行性能有较好效果）等。

实际上，对于Pass而言，除了开发更多、更强大的功能外，还有两个研究方向：一个方向是Pass之间的执行顺序对性能的影响，另一个方向是代码生成过程中Pass的重要性，例如关闭JIT中一些不重要的Pass可能获得更好的性能。

对Pass顺序的研究一直以来都是编译优化中较为重要的一个方向，因为编译优化的Pass之间可能相互影响，导致不同Pass执行顺序下产生的机器码质量不同。编译优化是NP难题，无法找到最优解，但是可以根据场景需求，对Pass顺序进行调整生成高质量机器码，这方面有不少论文，读者可以自行查阅。

一些学者通过代码生成过程中不同Pass的耗时进行了量化分析，以研究Pass的重要性，因为Pass的耗时从某种程度上反映了重要程度。例如，在一些基准测试中Top 20的Pass耗时如下表所示：

该表的结果是基于LLVM 3.0进行编译的，测试套件为SPEC CPU2006，执行后端优化前经过了充分的中端优化，这一研究的目的是预测JIT等场景中后端编译优化的时间。（由于JIT是运行时进行的编译优化，需要平衡编译质量和编译时间，通过预测编译优化所需的时间可以确定JIT应该使用的编译优化算法。）通过该表可以看到不同的编译优化耗时占比情况，通常来说编译耗时较长，功能越重要。例如，指令选择、寄存器分配、汇编码生成是编译后端必需的功能，其耗时占比接近70%，这也和本书重点介绍的内容一致。

除了重点Pass外，本书对表中其他Pass都有涉猎（个别Pass除外，例如Machine Function Analysis已经被Pass Manager替代），不过详细程度不同，有些仅仅简单介绍了原理（比如支配树），读者可以自行阅读源码或者参考相关资料了解更多细节。通过该表，读者可以对代码生成的功能和重要程度有一个简单的印象，更多信息可以参考论文 。 TpE01VrRC01pCcEXav64vU420rOLlLfhwzoa2VrddhC4cJgx7Jd4dzm67n29YK0U