llvm

LLVM IR とツール

目的

エージェントが ユーザー として LLVM を活用するためのガイドです。IR の生成と確認、opt を使用した既存の最適化パスの実行、llc を使用したアセンブリへの変換、最適化が行われない原因の診断を扱います。新しい LLVM パスの作成（PassPlugin、llvm-lit によるテスト）については、代わりに skills/compiler-internals/llvm-passes を使用してください。

トリガー

• 「この関数の LLVM IR を見せて」
• 「LLVM の最適化パスはどう実行しますか？」
• 「この LLVM IR の命令は何を意味しますか？」
• 「カスタム LLVM パスはどう書きますか？」
• 「LLVM で自動ベクトル化されないのはなぜですか？」

ワークフロー

1. LLVM IR を生成する

# Emit textual IR (.ll)
clang -O0 -emit-llvm -S src.c -o src.ll

# Emit bitcode (.bc)
clang -O2 -emit-llvm -c src.c -o src.bc

# Disassemble bitcode to text
llvm-dis src.bc -o src.ll

2. opt で最適化パスを実行する

# Apply a specific pass
opt -passes='mem2reg,instcombine,simplifycfg' src.ll -S -o out.ll

# Standard optimisation pipelines
opt -passes='default<O2>' src.ll -S -o out.ll
opt -passes='default<O3>' src.ll -S -o out.ll

# List available passes
opt --print-passes 2>&1 | less

# Print IR before and after a pass
opt -passes='instcombine' --print-before=instcombine --print-after=instcombine src.ll -S -o out.ll 2>&1 | less

3. llc で IR をアセンブリに変換する

# Compile IR to object file
llc -filetype=obj src.ll -o src.o

# Compile to assembly
llc -filetype=asm -masm-syntax=intel src.ll -o src.s

# Target a specific CPU
llc -mcpu=skylake -mattr=+avx2 src.ll -o src.s

# Show available targets
llc --version

4. IR を確認する

理解しておくべき主な IR 構造：

構造	意味
alloca	スタック割り当て（SSA 導入前。mem2reg によりレジスターに昇格します）
load/store	メモリーアクセス
getelementptr (GEP)	ポインター演算／フィールドアクセス
phi	SSA φ ノード：先行ブロックからの値を統合します
call/invoke	関数呼び出し（invoke には例外エッジがあります）
icmp/fcmp	整数／浮動小数点数の比較
br	分岐（条件付きまたは無条件）
ret	戻り
bitcast	ビットを再解釈します（コード生成では何もしません）
ptrtoint/inttoptr	ポインター↔整数（可能な限り避けてください）

5. 主なパス

パス	効果
mem2reg	alloca を SSA レジスターに昇格します
instcombine	命令の結合／ピープホール最適化
simplifycfg	CFG のクリーンアップ、デッドブロックの削除
loop-vectorize	自動ベクトル化
slp-vectorize	スーパーワードレベルの並列処理（直線的なコードのベクトル化）
inline	関数のインライン化
gvn	グローバル値番号付け（共通部分式の削除）
licm	ループ不変コードの移動
loop-unroll	ループのアンローリング
argpromotion	ポインター引数を値に昇格します
sroa	集約型のスカラー置換

6. 最適化が行われない場合のデバッグ

# Why was a loop not vectorised?
clang -O2 -Rpass-missed=loop-vectorize -Rpass-analysis=loop-vectorize src.c

# Dump pass pipeline
clang -O2 -mllvm -debug-pass=Structure src.c -o /dev/null 2>&1 | less

# Print IR after each pass (very verbose)
opt -passes='default<O2>' -print-after-all src.ll -S 2>&1 | less

7. 便利な LLVM ツール

ツール	用途
llvm-dis	ビットコード → テキスト形式の IR
llvm-as	テキスト形式の IR → ビットコード
llvm-link	複数のビットコードファイルをリンク
llvm-lto	単独での LTO
llvm-nm	ビットコード／オブジェクト内のシンボル
llvm-objdump	オブジェクトの逆アセンブル
llvm-profdata	PGO プロファイルのマージ／表示
llvm-cov	カバレッジレポート
llvm-mca	マシンコードアナライザー（スループット／レイテンシー）

binutils に相当するツールについては、skills/binaries/binutils を参照してください。

関連スキル

• カスタム LLVM パスの作成とテストには、skills/compiler-internals/llvm-passes を使用してください
• AST から LLVM IR を生成するには、skills/compiler-internals/compiler-frontend を使用してください
• LLVM IR の ORC JIT 実行には、skills/compiler-internals/jit-compilation を使用してください
• ソースレベルの Clang フラグには、skills/compilers/clang を使用してください
• リンク時の LTO には、skills/binaries/linkers-lto を使用してください
• マイクロアーキテクチャー分析には、skills/profilers/linux-perf を llvm-mca と組み合わせて使用してください