llvm

LLVM IR 和工具链

用途

指导 Agent 以用户的身份使用 LLVM：生成和检查 IR、使用 opt 运行现有优化 Pass、使用 llc 降低为汇编，以及诊断优化未生效的原因。若要编写新的 LLVM Pass（PassPlugin、llvm-lit 测试），请改用 skills/compiler-internals/llvm-passes。

触发条件

• “显示这个函数的 LLVM IR”
• “如何运行 LLVM 优化 Pass？”
• “这条 LLVM IR 指令是什么意思？”
• “如何编写自定义 LLVM Pass？”
• “为什么 LLVM 没有进行自动向量化？”

工作流

1. 生成 LLVM IR

# 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. 使用 opt 运行优化 Pass

# 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. 使用 llc 将 IR 降低为汇编

# 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. 检查 IR

需要理解的关键 IR 结构：

结构	含义
alloca	栈分配（SSA 之前；mem2reg 会将其提升到寄存器）
load/store	内存访问
getelementptr（GEP）	指针运算／字段访问
phi	SSA φ 节点：合并来自前驱基本块的值
call/invoke	函数调用（invoke 包含异常边）
icmp/fcmp	整数／浮点比较
br	分支（有条件或无条件）
ret	返回
bitcast	重新解释位（代码生成中的空操作）
ptrtoint/inttoptr	指针↔整数转换（尽可能避免）

5. 关键 Pass

Pass	效果
mem2reg	将 alloca 提升为 SSA 寄存器
instcombine	指令合并／窥孔优化
simplifycfg	CFG 清理，移除死基本块
loop-vectorize	自动向量化
slp-vectorize	超字级并行（直线代码向量化）
inline	函数内联
gvn	全局值编号（公共子表达式消除）
licm	循环不变量代码外提
loop-unroll	循环展开
argpromotion	将指针参数提升为值
sroa	聚合体标量替换

6. 调试未生效的优化

# 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. 实用的 llvm 工具

工具	用途
llvm-dis	位码 → 文本 IR
llvm-as	文本 IR → 位码
llvm-link	链接多个位码文件
llvm-lto	独立 LTO
llvm-nm	查看位码／目标文件中的符号
llvm-objdump	反汇编目标文件
llvm-profdata	合并／显示 PGO 配置文件
llvm-cov	覆盖率报告
llvm-mca	机器码分析器（吞吐量／延迟）

binutils 的对应工具请参阅 skills/binaries/binutils。

相关技能

• 编写和测试自定义 LLVM Pass，请使用 skills/compiler-internals/llvm-passes
• 从 AST 生成 LLVM IR，请使用 skills/compiler-internals/compiler-frontend
• 使用 ORC JIT 执行 LLVM IR，请使用 skills/compiler-internals/jit-compilation
• 查看源代码级 Clang 标志，请使用 skills/compilers/clang
• 在链接时使用 LTO，请使用 skills/binaries/linkers-lto
• 结合 llvm-mca 进行微架构分析，请使用 skills/profilers/linux-perf