了解内存分配的工作原理 (LLVM)

Question

我正在玩具编译器上取得进展（第一次），并试图了解如何 allocate/construct LLVM 结构类型。 Kaleidoscope 教程没有包括甚至没有提到这一点，我不知道我在 LLVM source/tests 中寻找什么来找到可能的例子。

所以我写了一个简单的 C++ 示例，用 clang 转储了 IR，试图理解它产生了什么，但老实说，我并没有完全遵循它。对我来说显而易见的是函数 definition/declarations 和一些函数调用以及 memset 调用，所以我得到了它的一部分，但它还没有全部组合在一起。（P.S 我对 alloca 指令文档的解释是，从中创建的任何东西都会在 return 上被释放，所以我不能使用那个权利，它基本上只用于局部变量？）

我所做的是：

alloc.cpp

struct Alloc {
  int age;
};

//Alloc allocCpy() {
//  return *new Alloc();
//}

Alloc *allocPtr() {
  return new Alloc();
}

int main() {
  Alloc *ptr = allocPtr();
//  ptr->name = "Courtney";
//  Alloc cpy = allocCpy();
//  cpy.name = "Robinson";
//  std::cout << ptr->name << std::endl;
//  std::cout << cpy.name << std::endl;
  return 0;
}

然后运行clang -S -emit-llvm alloc.cpp产生alloc.ll

; ModuleID = 'alloc.cpp'
target datalayout = "e-m:o-i64:64-f80:128-n8:16:32:64-S128"
target triple = "x86_64-apple-macosx10.11.0"

%struct.Alloc = type { i32 }

; Function Attrs: ssp uwtable
define %struct.Alloc* @_Z8allocPtrv() #0 {
entry:
  %call = call noalias i8* @_Znwm(i64 4) #3
  %0 = bitcast i8* %call to %struct.Alloc*
  %1 = bitcast %struct.Alloc* %0 to i8*
  call void @llvm.memset.p0i8.i64(i8* %1, i8 0, i64 4, i32 4, i1 false)
  ret %struct.Alloc* %0
}

; Function Attrs: nobuiltin
declare noalias i8* @_Znwm(i64) #1

; Function Attrs: nounwind
declare void @llvm.memset.p0i8.i64(i8* nocapture, i8, i64, i32, i1) #2

; Function Attrs: ssp uwtable
define i32 @main() #0 {
entry:
  %retval = alloca i32, align 4
  %ptr = alloca %struct.Alloc*, align 8
  store i32 0, i32* %retval
  %call = call %struct.Alloc* @_Z8allocPtrv()
  store %struct.Alloc* %call, %struct.Alloc** %ptr, align 8
  ret i32 0
}

attributes #0 = { ssp uwtable "disable-tail-calls"="false" "less-precise-fpmad"="false" "no-frame-pointer-elim"="true" "no-frame-pointer-elim-non-leaf" "no-infs-fp-math"="false" "no-nans-fp-math"="false" "stack-protector-buffer-size"="8" "target-cpu"="core2" "target-features"="+cx16,+sse,+sse2,+sse3,+ssse3" "unsafe-fp-math"="false" "use-soft-float"="false" }
attributes #1 = { nobuiltin "disable-tail-calls"="false" "less-precise-fpmad"="false" "no-frame-pointer-elim"="true" "no-frame-pointer-elim-non-leaf" "no-infs-fp-math"="false" "no-nans-fp-math"="false" "stack-protector-buffer-size"="8" "target-cpu"="core2" "target-features"="+cx16,+sse,+sse2,+sse3,+ssse3" "unsafe-fp-math"="false" "use-soft-float"="false" }
attributes #2 = { nounwind }
attributes #3 = { builtin }

!llvm.module.flags = !{!0}
!llvm.ident = !{!1}

!0 = !{i32 1, !"PIC Level", i32 2}
!1 = !{!"clang version 3.7.0 (tags/RELEASE_370/final)"}

谁能解释一下这个 IR 中发生了什么，以及它如何映射回 C++？或者忽略这个具体的例子 would/should 如何为一个 LLVM StructType 分配堆内存，这个 LLVM StructType 在创建它的函数中存在（如果你觉得慷慨，以后如何释放内存）。

我注释掉的部分来自我的原始示例，但作为一个完全的新手，IR 的洞察力更差...

Answer 1

my interpretation of the alloca instruction docs is that it anything created from that gets freed on return so I can't use that right, it's essentially only for local variables?

是的。此外，目前关于 LLVM IR 的建议是，尽管 alloca 可以按您预期的那样工作，但优化是另一种情况。他们建议您 alloca 立即在入口块中输入所有本地信息，即使您不允许用户访问它们或它们并不总是包含有意义的数据。

堆分配是库的一项功能。它不是 LLVM 或编译器的特性。当你使用 new T() 时，编译器只是调用 operator new 来获取内存，然后在那里构造 T。没有魔法参与。你看到的大多数垃圾都是特定于 C++-ABI 的，而不是 LLVM 的任何要求。它最终会降低到 void* p = malloc(size); new(p) T(); 之类的东西。对于几乎所有类型 T，这几乎可以归结为一系列存储到 p 或调用用户定义的函数。

您可以使用您选择的运行时库中的内存分配函数。

trying to understand how to allocate/construct an LLVM struct type

LLVM 类型系统不包括构造的概念。这是源语言的概念。

就 LLVM 而言，结构只是一堆位，所有内存位置都或多或少相同。如果您希望这些位是特定的东西，请将您想要的位存储到该位置。如果要将这些位放在堆上，则调用运行时库堆分配函数并将这些位存储到该位置。

但是请注意，垃圾回收是一个稍微不同的故事，因为发生了一些尴尬的事情 w.r.t。在堆栈上找到本地人进行标记。

郑重声明，您不会试图理解 Clang 的 LLVM IR。我已经这样做了好几年了，这太疯狂了，你会花那么长时间才能开始掌握，更不用说你不想知道的所有 C++ 特定的 ABI 细节了。你会在他们的 IRC 频道的 #llvm 中得到更多的询问，或者在这里提出具体问题，而不是试图对其进行逆向工程。

Answer 2

我不建议查看 Clang 发出的未优化的 IR - 它太冗长了。 -O1 使其更具可读性 - 这是 -O1 版本，其中注释行（我还重新排序了两行以使其更具可读性）：

%struct.Alloc = type { i32 }                   ; Define the Alloc type.

define noalias %struct.Alloc* @_Z8allocPtrv() #0 {
  %1 = tail call noalias i8* @_Znwj(i32 4) #2  ; Call _Znwj(4). This retuns i8*.
  %3 = bitcast i8* %1 to i32*                  ; Cast the returned value to i32* (int*)...
  store i32 0, i32* %3, align 4                ; ...and zero its content.
  %2 = bitcast i8* %1 to %struct.Alloc*        ; Cast the returned value to Alloc*...
  ret %struct.Alloc* %2                        ; ...and return it.
}

; Declare the _Znwj function. This doesn't need to be defined since it's already defined
; in libstdc++: this is 'operator new'. You can see this by passing this string through a
; C++ demangler, for example the one at http://demangler.com/.
declare noalias i8* @_Znwj(i32) #1

define i32 @main() #0 {
  %1 = tail call %struct.Alloc* @_Z8allocPtrv()  ; Call _Z8allocPtrv (Defined above).
  ret i32 0
}

这是new调用，不是本地分配，所以离开@_Z8allocPtrv时不会清除。本地分配确实是在 LLVM IR 中使用 alloca 指令执行的，而不是 new 调用。

如果你好奇 new 是如何工作的，我相信它的标准实现使用 malloc，它是由编译库的编译器翻译的某些包含系统调用的函数。

了解内存分配的工作原理 (LLVM)

Understanding how memory allocation works (LLVM)

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