clang driver

clang不止是前端编译器,更是连接了LLVM整个编译过程和其他工具的一个驱动程序。

clang/include/clang/Basic 目录下定义了众多td模版文件,例如DiagnosticDriverKinds.td就是Driver的相关诊断信息。对应的类型则是在 clang/include/clang/Basic/DiagnosticIDs.h 文件中定义了6个类型:

/// Used for handling and querying diagnostic IDs.
///
/// Can be used and shared by multiple Diagnostics for multiple translation units.
class DiagnosticIDs : public RefCountedBase<DiagnosticIDs> {
public:
  /// The level of the diagnostic, after it has been through mapping.
  enum Level {
    Ignored, Note, Remark, Warning, Error, Fatal
  };

clang driver

clang Driver 负责拼接编译器命令和 ld 命令。

他的处理原理如下:

  1. Parse:解析传入的参数
  2. Pipeline:根据每个输入的文件和类型,组建action,具体类型可以查看ActionClass枚举类型,对应到具体的JobAction
  3. Bind:根据action选择对应的工具和文件名信息,具体可以通过 clang -ccc-print-bindings 进行查看
  4. Translate:将输入的参数转换为不同的tool的参数。如clang -cc1 -arch arm64,在clang中使用的是-triple arm64-apple-ios14,而ld则会使用-arch arm64
  5. Execute:调用tool执行任务。该步骤会通过创建子进程方式调用tool。

举个实例:

/Test » xcrun -l clang test.c -v -O2 -o Test                                                                             n14637@GIH-D-21687
env SDKROOT=/Library/Developer/CommandLineTools/SDKs/MacOSX10.15.sdk /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Toolchains/XcodeDefault.xctoolchain/usr/bin/clang test.c -v -O2 -o Test
Apple clang version 12.0.0 (clang-1200.0.32.29)
Target: x86_64-apple-darwin19.6.0
Thread model: posix
InstalledDir: /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Toolchains/XcodeDefault.xctoolchain/usr/bin
 "/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Toolchains/XcodeDefault.xctoolchain/usr/bin/clang" -cc1 -triple x86_64-apple-macosx10.15.0 -Wdeprecated-objc-isa-usage -Werror=deprecated-objc-isa-usage -Werror=implicit-function-declaration -emit-obj -disable-free -disable-llvm-verifier -discard-value-names -main-file-name test.c -mrelocation-model pic -pic-level 2 -mthread-model posix -mframe-pointer=all -fno-strict-return -masm-verbose -munwind-tables -target-sdk-version=10.15.6 -fcompatibility-qualified-id-block-type-checking -target-cpu penryn -dwarf-column-info -debugger-tuning=lldb -target-linker-version 609.8 -v -resource-dir /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Toolchains/XcodeDefault.xctoolchain/usr/lib/clang/12.0.0 -isysroot /Library/Developer/CommandLineTools/SDKs/MacOSX10.15.sdk -I/usr/local/include -internal-isystem /Library/Developer/CommandLineTools/SDKs/MacOSX10.15.sdk/usr/local/include -internal-isystem /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Toolchains/XcodeDefault.xctoolchain/usr/lib/clang/12.0.0/include -internal-externc-isystem /Library/Developer/CommandLineTools/SDKs/MacOSX10.15.sdk/usr/include -internal-externc-isystem /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Toolchains/XcodeDefault.xctoolchain/usr/include -O2 -Wno-reorder-init-list -Wno-implicit-int-float-conversion -Wno-c99-designator -Wno-final-dtor-non-final-class -Wno-extra-semi-stmt -Wno-misleading-indentation -Wno-quoted-include-in-framework-header -Wno-implicit-fallthrough -Wno-enum-enum-conversion -Wno-enum-float-conversion -fdebug-compilation-dir /Test -ferror-limit 19 -fmessage-length 164 -stack-protector 1 -fstack-check -mdarwin-stkchk-strong-link -fblocks -fencode-extended-block-signature -fregister-global-dtors-with-atexit -fgnuc-version=4.2.1 -fobjc-runtime=macosx-10.15.0 -fmax-type-align=16 -fdiagnostics-show-option -fcolor-diagnostics -vectorize-loops -vectorize-slp -o /var/folders/71/830m4bcj2_v1ly5qbtsbhxm4w50c2h/T/test-72900e.o -x c test.c
clang -cc1 version 12.0.0 (clang-1200.0.32.29) default target x86_64-apple-darwin19.6.0
ignoring nonexistent directory "/Library/Developer/CommandLineTools/SDKs/MacOSX10.15.sdk/usr/local/include"
ignoring nonexistent directory "/Library/Developer/CommandLineTools/SDKs/MacOSX10.15.sdk/Library/Frameworks"
#include "..." search starts here:
#include <...> search starts here:
 /usr/local/include
 /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Toolchains/XcodeDefault.xctoolchain/usr/lib/clang/12.0.0/include
 /Library/Developer/CommandLineTools/SDKs/MacOSX10.15.sdk/usr/include
 /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Toolchains/XcodeDefault.xctoolchain/usr/include
 /Library/Developer/CommandLineTools/SDKs/MacOSX10.15.sdk/System/Library/Frameworks (framework directory)
End of search list.
 "/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Toolchains/XcodeDefault.xctoolchain/usr/bin/ld" -demangle -lto_library /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Toolchains/XcodeDefault.xctoolchain/usr/lib/libLTO.dylib -dynamic -arch x86_64 -platform_version macos 10.15.0 10.15.6 -syslibroot /Library/Developer/CommandLineTools/SDKs/MacOSX10.15.sdk -o Test -L/usr/local/lib /var/folders/71/830m4bcj2_v1ly5qbtsbhxm4w50c2h/T/test-72900e.o -lSystem /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Toolchains/XcodeDefault.xctoolchain/usr/lib/clang/12.0.0/lib/darwin/libclang_rt.osx.a

可以看到,执行xcrun之后,实际上clang构造了两个job,一个是编译任务,一个是链接任务,最后根据job创建两个进程执行任务。

看到源码部分,在driver.cpp:

    //解析参数,该方法会调用DriverOptTable中的getDriverOptTable方法判断clang driver支持的所有参数类型
    //其内部的OptTable::Info InfoTable[]是通过clang/Driver/Options.inc生成的,而inc是由tablegen将optins.td转换的
  IntrusiveRefCntPtr<DiagnosticOptions> DiagOpts =
      CreateAndPopulateDiagOpts(argv);
    //诊断引擎绑定到一个翻译单元和一个SourceManager。
    DiagnosticsEngine Diags(DiagID, &*DiagOpts, DiagClient);
    //并将diagnostics传递给DiagnosticConsumer,以便向用户报告
  if (!DiagOpts->DiagnosticSerializationFile.empty()) {
    auto SerializedConsumer =
        clang::serialized_diags::create(DiagOpts->DiagnosticSerializationFile,
                                        &*DiagOpts, /*MergeChildRecords=*/true);
    Diags.setClient(new ChainedDiagnosticConsumer(
        Diags.takeClient(), std::move(SerializedConsumer)));
  }
    ProcessWarningOptions(Diags, *DiagOpts, /*ReportDiags=*/false);
    //创建driver实例
    Driver TheDriver(Path, llvm::sys::getDefaultTargetTriple(), Diags);
  SetInstallDir(argv, TheDriver, CanonicalPrefixes);
  TheDriver.setTargetAndMode(TargetAndMode);
    //xxx
    //1.构造需要执行的命令,跳转到最下面的方法👇
  std::unique_ptr<Compilation> C(TheDriver.BuildCompilation(argv));

    //2.构建action
  if (TC.getTriple().isOSBinFormatMachO())
    BuildUniversalActions(*C, C->getDefaultToolChain(), Inputs);
  else
    BuildActions(*C, C->getArgs(), Inputs, C->getActions());
    //3.构建jobs
  BuildJobs(*C);

    //4.执行任务
  Driver::ExecuteCompilation -> Compilation::ExecuteJobs -> Compilation::ExecuteCommand-> Command::Execute -> llvm::sys::ExecuteAndWait


    
    Compilation *Driver::BuildCompilation(ArrayRef<const char *> ArgList) {
        //xxx
        //1.1.根据命令行指定的参数进行解析
      CLOptions = std::make_unique<InputArgList>(
      ParseArgStrings(ArgList.slice(1), IsCLMode(), ContainsError));
        //1.2.获取triple并通过gettoolchain获取对应的toolchain
      const ToolChain &TC = getToolChain(
      *UArgs, computeTargetTriple(*this, TargetTriple, *UArgs));
            //1.3.Compilation类接管参数
        Compilation *C = new Compilation(*this, TC, UArgs.release(), TranslatedArgs,
                                   ContainsError);
        //1.4.获取输入文件进行编译,该方法会通过输入的文件扩展后缀获取文件类型
      BuildInputs(C->getDefaultToolChain(), *TranslatedArgs, Inputs);
  }

    //1.1.1.
    InputArgList Driver::ParseArgStrings(ArrayRef<const char *> ArgStrings,
                                     bool IsClCompatMode,
                                     bool &ContainsError) {
        //调用getOpts获取支持的所有参数,然后调用parseArgs对命令行参数进行解析
        //解析的规则则是通过调用OptTable的ParseOneArg方法对字符串进行遍历解析
        //ParseOneArg内部调用了accept方法,该方法对参数别名会进行判断和特殊处理,如下:
      InputArgList Args =
      getOpts().ParseArgs(ArgStrings, MissingArgIndex, MissingArgCount,
                          IncludedFlagsBitmask, ExcludedFlagsBitmask);
            //判断参数是否支持,是否支持通过Optins.td文件进行查找,否则抛出异常
          for (const Arg *A : Args) {
                if (A->getOption().hasFlag(options::Unsupported)) {
              DiagID = diag::err_drv_unsupported_opt;
                    Diag(DiagID) << ArgString;
            }
  }
    
    Arg *Option::accept(const ArgList &Args,
                    unsigned &Index,
                    unsigned ArgSize) const {
    //解析参数
          std::unique_ptr<Arg> A(acceptInternal(Args, Index, ArgSize));
  if (!A)
    return nullptr;
    //判断是否有别名
      const Option &UnaliasedOption = getUnaliasedOption();
  if (getID() == UnaliasedOption.getID())
    return A.release();
    //从unalias选项中获取拼写,对应的关系在Optins.td中有声明
      StringRef UnaliasedSpelling = Args.MakeArgString(
      Twine(UnaliasedOption.getPrefix()) + Twine(UnaliasedOption.getName()));
  }
    
    void Driver::BuildUniversalActions(Compilation &C, const ToolChain &TC,
                                   const InputList &BAInputs) const {
        //2.1.根据-arch参数生成需要处理的的Archs,构建actions
        DerivedArgList &Args = C.getArgs();
        ActionList &Actions = C.getActions();
          for (Arg *A : Args) {
    if (A->getOption().matches(options::OPT_arch)) {
      //xxx
      if (ArchNames.insert(A->getValue()).second)
        Archs.push_back(A->getValue());
    }
    }
    //如果没有传入 -arch 参数,则获取 triple 对应的架构
     if (!Archs.size())
        Archs.push_back(Args.MakeArgString(TC.getDefaultUniversalArchName()));
      ActionList SingleActions;
        //调用 Driver::handleArguments 方法对参数进行处理
          BuildActions(C, Args, BAInputs, SingleActions);
    
      // 构建 offloading actions.
        OffloadingActionBuilder OffloadBuilder(C, Args, Inputs);

        // 构造要执行的actions
        HeaderModulePrecompileJobAction *HeaderModuleAction = nullptr;
          ActionList LinkerInputs;
          ActionList MergerInputs;

        for (auto &I : Inputs) {
            types::ID InputType = I.first;
            const Arg *InputArg = I.second;
            //根据输入源码文件inputs获取需要处理的 phase 数组
      //phase其实就是一个枚举类型,包含Preprocess Precompile Compile Backend Assemble Link IfsMerge
      //在 Types.def 文件维护了不同文件类型默认情况下需要经历的 phase
        llvm::SmallVector<phases::ID, phases::MaxNumberOfPhases> PL;
      types::getCompilationPhases(*this, Args, InputType, PL);
        if (PL.empty())
        continue;
            //xxx
  }

//2.2.
void Driver::BuildActions(Compilation &C, DerivedArgList &Args,
                          const InputList &Inputs, ActionList &Actions) const {
        //将每个phase转化为一个action
    for (phases::ID Phase : PL) {
      //xxx
      // Otherwise construct the appropriate action.
      //该方法内部根据Phase的类型进行action的构建,详情在个下方法:
      Action *NewCurrent = ConstructPhaseAction(C, Args, Phase, Current);
      if (auto *HMA = dyn_cast<HeaderModulePrecompileJobAction>(NewCurrent))
        HeaderModuleAction = HMA;
      Current = NewCurrent;
      // Use the current host action in any of the offloading actions, if
      // required.
      if (OffloadBuilder.addHostDependenceToDeviceActions(Current, InputArg))
        break;
      if (Current->getType() == types::TY_Nothing)
        break;
    }
}
  
    Action *Driver::ConstructPhaseAction(
    Compilation &C, const ArgList &Args, phases::ID Phase, Action *Input,
    Action::OffloadKind TargetDeviceOffloadKind) const {
      switch (Phase) {
  case phases::Preprocess: {
        //通过 Input 和 OutputTy 构建 PreprocessJobAction
    return C.MakeAction<PreprocessJobAction>(Input, OutputTy);
  }
    return C.MakeAction<PrecompileJobAction>(Input, OutputTy);
  }
  case phases::Compile: {
    return C.MakeAction<CompileJobAction>(Input, types::TY_LLVM_BC);
  }
      case phases::Backend: {
    if (isUsingLTO() && TargetDeviceOffloadKind == Action::OFK_None) {
      types::ID Output =
          Args.hasArg(options::OPT_S) ? types::TY_LTO_IR : types::TY_LTO_BC;
      return C.MakeAction<BackendJobAction>(Input, Output);
    }
    if (Args.hasArg(options::OPT_emit_llvm)) {
      types::ID Output =
          Args.hasArg(options::OPT_S) ? types::TY_LLVM_IR : types::TY_LLVM_BC;
      return C.MakeAction<BackendJobAction>(Input, Output);
    }
    return C.MakeAction<BackendJobAction>(Input, types::TY_PP_Asm);
  }
  case phases::Assemble:
    return C.MakeAction<AssembleJobAction>(std::move(Input), types::TY_Object);
  }
  }
    
  //3.构建jobs
  void Driver::BuildJobs(Compilation &C) const {
        //1.收集需要处理的架构
      llvm::StringSet<> ArchNames;
  if (C.getDefaultToolChain().getTriple().isOSBinFormatMachO())
    for (const Arg *A : C.getArgs())
      if (A->getOption().matches(options::OPT_arch))
        ArchNames.insert(A->getValue());
        //2.缓存action和inputinfo的映射
        //BuildJobsForAction 方法会先查找缓存,如果缓存中不存在则再调用 BuildJobsForActionNoCache 方法创建 InputInfo
      std::map<std::pair<const Action *, std::string>, InputInfo> CachedResults;
        BuildJobsForAction(C, A, &C.getDefaultToolChain(),
                       /*BoundArch*/ StringRef(),
                       /*AtTopLevel*/ true,
                       /*MultipleArchs*/ ArchNames.size() > 1,
                       /*LinkingOutput*/ LinkingOutput, CachedResults,
                       /*TargetDeviceOffloadKind*/ Action::OFK_None);       
  }
    
 InputInfo Driver::BuildJobsForActionNoCache(
    Compilation &C, const Action *A, const ToolChain *TC, StringRef BoundArch,
    bool AtTopLevel, bool MultipleArchs, const char *LinkingOutput,
    std::map<std::pair<const Action *, std::string>, InputInfo> &CachedResults,
    Action::OffloadKind TargetDeviceOffloadKind) const {
            
     if (const BindArchAction *BAA = dyn_cast<BindArchAction>(A)) {
    const ToolChain *TC;
    StringRef ArchName = BAA->getArchName();
        //3.通过 computeTargetTriple 计算 triple,然后获取合适的工具链
    // computeTargetTriple会获取-target参数更新TargetTriple字符串,然后根据其生产Triple实例
    if (!ArchName.empty())
      TC = &getToolChain(C.getArgs(),
                         computeTargetTriple(*this, TargetTriple,
                                             C.getArgs(), ArchName));
    else
      TC = &C.getDefaultToolChain();
        //4.随后会以 BindArchAction 持有的第一个 input(类型是 LinkJobAction)为参数再次调用 BuildJobsForAction 方法
    return BuildJobsForAction(C, *BAA->input_begin(), TC, ArchName, AtTopLevel,
                              MultipleArchs, LinkingOutput, CachedResults,
                              TargetDeviceOffloadKind);
  }

   //5.获取 LinkJobAction 的 Inputs
     ActionList Inputs = A->getInputs();

  const JobAction *JA = cast<JobAction>(A);
  ActionList CollapsedOffloadActions;
    //6.创建 ToolSelector 的实例 TS,并调用 ToolSelector::getTool 获取支持 link 的工具
  ToolSelector TS(JA, *TC, C, isSaveTempsEnabled(),
                  embedBitcodeInObject() && !isUsingLTO());
  const Tool *T = TS.getTool(Inputs, CollapsedOffloadActions);
   
     //7.通过 BuildJobsForAction 处理 Inputs
     for (const auto *OA : CollapsedOffloadActions)
    cast<OffloadAction>(OA)->doOnEachDependence(
        /*IsHostDependence=*/BuildingForOffloadDevice,
        [&](Action *DepA, const ToolChain *DepTC, const char *DepBoundArch) {
          OffloadDependencesInputInfo.push_back(BuildJobsForAction(
              C, DepA, DepTC, DepBoundArch, /* AtTopLevel */ false,
              /*MultipleArchs=*/!!DepBoundArch, LinkingOutput, CachedResults,
              DepA->getOffloadingDeviceKind()));
        });
     //xxx
       //调用 Compilation::getArgsForToolChain 进行参数转换
     llvm::Triple EffectiveTriple;
  const ToolChain &ToolTC = T->getToolChain();
  const ArgList &Args =
      C.getArgsForToolChain(TC, BoundArch, A->getOffloadingDeviceKind());
   //xxx
       if (UnbundlingResults.empty())
         //调用 darwin::Linker 的 ConstructJob 方法构建 Job
      T->ConstructJob(
          C, *JA, Result, InputInfos,
          C.getArgsForToolChain(TC, BoundArch, JA->getOffloadingDeviceKind()),
          LinkingOutput);
    else
      T->ConstructJobMultipleOutputs(
          C, *JA, UnbundlingResults, InputInfos,
          C.getArgsForToolChain(TC, BoundArch, JA->getOffloadingDeviceKind()),
          LinkingOutput);
 }
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