compiler-development

コンパイラー開発スキル

このスキルでは、LLVM インフラストラクチャを使用してコンパイラーや言語実装を構築するための包括的な知識を提供します。

コンパイラーアーキテクチャの概要

従来の3フェーズ設計

Source Code → Frontend → Middle-End (Optimizer) → Backend → Machine Code
                ↓              ↓                      ↓
             AST/IR      LLVM IR Passes          Target Code

フロントエンド開発

字句解析

// Token types for a simple language
enum class TokenKind {
    Identifier,
    Number,
    String,
    Keyword,
    Operator,
    Punctuation,
    EndOfFile
};

struct Token {
    TokenKind kind;
    std::string value;
    SourceLocation location;
};

パーサーの実装

• 再帰下降：実装が簡単で、エラーメッセージも適切です
• 演算子優先順位解析：式の解析に効率的です
• LALR/LR：複雑な文法には Bison などのツールを使用します

AST の設計

class Expr {
public:
    virtual ~Expr() = default;
    virtual llvm::Value* codegen() = 0;
};

class BinaryExpr : public Expr {
    std::unique_ptr<Expr> LHS, RHS;
    char Op;
public:
    llvm::Value* codegen() override {
        llvm::Value* L = LHS->codegen();
        llvm::Value* R = RHS->codegen();
        
        switch (Op) {
            case '+': return Builder.CreateFAdd(L, R, "addtmp");
            case '-': return Builder.CreateFSub(L, R, "subtmp");
            case '*': return Builder.CreateFMul(L, R, "multmp");
            case '/': return Builder.CreateFDiv(L, R, "divtmp");
        }
    }
};

LLVM IR の生成

モジュールとコンテキストの設定

#include "llvm/IR/LLVMContext.h"
#include "llvm/IR/Module.h"
#include "llvm/IR/IRBuilder.h"

class CodeGen {
    std::unique_ptr<llvm::LLVMContext> Context;
    std::unique_ptr<llvm::Module> Module;
    std::unique_ptr<llvm::IRBuilder<>> Builder;
    
public:
    CodeGen() {
        Context = std::make_unique<llvm::LLVMContext>();
        Module = std::make_unique<llvm::Module>("my_module", *Context);
        Builder = std::make_unique<llvm::IRBuilder<>>(*Context);
    }
};

関数の生成

llvm::Function* createFunction(const std::string& name, 
                                llvm::Type* returnType,
                                std::vector<llvm::Type*> params) {
    llvm::FunctionType* FT = llvm::FunctionType::get(returnType, params, false);
    llvm::Function* F = llvm::Function::Create(
        FT, llvm::Function::ExternalLinkage, name, Module.get());
    
    llvm::BasicBlock* BB = llvm::BasicBlock::Create(*Context, "entry", F);
    Builder->SetInsertPoint(BB);
    
    return F;
}

JIT コンパイル

LLVM ORC JIT

#include "llvm/ExecutionEngine/Orc/LLJIT.h"

auto JIT = llvm::orc::LLJITBuilder().create();
if (!JIT) {
    handleError(JIT.takeError());
}

// Add module
(*JIT)->addIRModule(llvm::orc::ThreadSafeModule(
    std::move(Module), std::move(Context)));

// Look up symbol and execute
auto Sym = (*JIT)->lookup("main");
auto* MainFn = (int(*)())Sym->getAddress();
int result = MainFn();

最適化パスのパイプライン

新しいパスマネージャー（推奨）

#include "llvm/Passes/PassBuilder.h"

void optimizeModule(llvm::Module& M) {
    llvm::PassBuilder PB;
    llvm::LoopAnalysisManager LAM;
    llvm::FunctionAnalysisManager FAM;
    llvm::CGSCCAnalysisManager CGAM;
    llvm::ModuleAnalysisManager MAM;
    
    PB.registerModuleAnalyses(MAM);
    PB.registerCGSCCAnalyses(CGAM);
    PB.registerFunctionAnalyses(FAM);
    PB.registerLoopAnalyses(LAM);
    PB.crossRegisterProxies(LAM, FAM, CGAM, MAM);
    
    llvm::ModulePassManager MPM = PB.buildPerModuleDefaultPipeline(
        llvm::OptimizationLevel::O2);
    MPM.run(M, MAM);
}

カスタムパスの実装

struct MyPass : public llvm::PassInfoMixin<MyPass> {
    llvm::PreservedAnalyses run(llvm::Function& F, 
                                 llvm::FunctionAnalysisManager& FAM) {
        for (auto& BB : F) {
            for (auto& I : BB) {
                // Transform instructions
            }
        }
        return llvm::PreservedAnalyses::none();
    }
};

言語実装のパターン

メモリーセーフな言語

• LLVM のメモリーサニタイザーフックを使用します
• GEP のイントロスペクションを使用して境界チェックを実装します
• 参照カウントまたはガベージコレクションを統合します

型システム

• AST の構築時に型推論を実装します
• 適切な LLVM 型（i32、float、struct、ptr）を生成します
• 単相化またはボックス化によってジェネリック型を処理します

エラー処理

• LLVM の landingpad/invoke を使って例外処理を生成します
• Result/Option 型をタグ付き共用体として実装します
• LLVM の personality 関数を使用して巻き戻しを処理します

注目すべき言語実装

システム言語

• Rust：複雑な借用チェッカー、トレイトシステム → LLVM
• Zig：コンパイル時評価、安全性機能
• Carbon：C++ との相互運用、モダンな構文

スクリプト言語

• Julia：JIT コンパイルによる科学技術計算
• Crystal：Ruby のような構文、静的型付け
• Nim：Python のような言語、マルチバックエンド

ドメイン固有言語

• Solidity：Ethereum のスマートコントラクト
• MLIR：ML/AI ワークロード向けのマルチレベル IR
• Halide：画像処理 DSL

開発ワークフロー

1. シンプルに始める：Kaleidoscope チュートリアルから始めます
2. 機能を段階的に追加する：一度に1つの言語機能を追加します
3. 徹底的にテストする：コンパイラーの各フェーズに単体テストを用意します
4. LLVM ツールを使用する：IR のデバッグには opt、llc、llvm-dis を使用します
5. プロファイルして最適化する：一般的なコードパターンに注力します

リソース

公式チュートリアル

• LLVM Kaleidoscope：ゼロから言語を構築する
• Clang の内部構造：フロントエンド実装のパターン
• LLVM バックエンドの作成：ターゲットコードの生成

コミュニティプロジェクト

さまざまな言語パラダイムにわたる100以上の実装例については、README.md の DIY Compiler セクションを参照してください。

詳細情報の取得

リソースへのリンク、ツールの一覧、プロジェクトの参考情報について、最新かつ詳細な情報が必要な場合は、次の場所から最新データを取得してください。

https://raw.githubusercontent.com/gmh5225/awesome-llvm-security/refs/heads/main/README.md

この README には、厳選された包括的な一覧が含まれています。

• 100以上の DIY コンパイラー実装（DIY Compiler セクション）
• ツールチェーンの設定と IDE のセットアップ
• コンパイラー開発のチュートリアルと書籍