LLVM (низкоуровневая виртуальная машина) Что это такое и почему ее важно использовать с Rust.
LLVM (низкоуровневая виртуальная машина) - это набор модульных и повторно используемых технологий компиляции и набора инструментов, предназначенных для оптимизации и анализа производительности широкого спектра языков программирования. Он предоставляет набор компонентов, которые обеспечивают анализ, преобразование и оптимизацию программы. LLVM разработан для поддержки нескольких языков программирования (не только Rust) и предоставляет общую инфраструктуру для генерации и оптимизации кода на различных архитектурах и платформах.
LLVM состоит из нескольких компонентов, включая промежуточное представление LLVM (IR), набор интерфейсов компилятора, серверную часть генератора кода, JIT-компилятор just-in-time (точно в срок) и множество инструментов анализа и оптимизации. LLVM IR (Промежуточное представление) - это низкоуровневое, независимое от платформы и типобезопасное представление программного кода, которое используется в качестве промежуточного языка между интерфейсной частью и серверной частью компилятора. Это позволяет повторно использовать одни и те же инструменты оптимизации и анализа на разных языках и архитектурах.
Rust - это язык системного программирования, который делает упор на безопасность, производительность и параллелизм. Код Rust компилируется в машинный код, что делает его хорошо подходящим для системного программирования и приложений, критически важных для производительности. Rust также предоставляет расширенные функции безопасности памяти, такие как владение и заимствование, которые помогают предотвратить распространенные ошибки программирования, связанные с памятью, такие как разыменование нулевого указателя и утечки памяти.
LLVM важно использовать с Rust, поскольку он предоставляет мощный набор инструментов оптимизации и анализа, которые могут помочь повысить производительность и безопасность кода Rust. LLVM optimizer может анализировать LLVM IR, генерируемый Rust, и выполнять широкий спектр оптимизаций, таких как:
- распространение констант (процесс подстановки значений известных констант в выражения во время компиляции).
- устранение мертвого кода (оптимизация, которая удаляет код, который не влияет на результаты работы программы).
- развертывание цикла (также известное как loop unwinding, представляет собой метод преобразования цикла, который пытается оптимизировать скорость выполнения программы за счет ее двоичного размера, что является подходом, известным как компромисс между пространством и временем.)
- встроенная функция (Встроенная функция - это функция, для которой компилятор копирует код из определения функции непосредственно в код вызывающей функции, а не создает отдельный набор инструкций в памяти.).
Эти оптимизации могут значительно повысить производительность кода Rust.
После того, как оптимизатор LLVM завершит оптимизацию кода, генератор кода LLVM используется для генерации собственного машинного кода для целевой платформы. Генератор кода LLVM преобразует оптимизированный ИК-код LLVM в машинный код, который может быть выполнен на целевой платформе, принимая во внимание специфические особенности целевой платформы, такие как архитектура набора команд, модель памяти и соглашения о вызовах.
Использование LLVM в качестве серверной части для Rust дает ряд преимуществ. Во-первых, это позволяет оптимизировать код Rust с точки зрения производительности, используя мощные возможности оптимизации LLVM. Во-вторых, это позволяет компилировать код Rust для широкого спектра целевых платформ, поскольку LLVM поддерживает широкий спектр платформ и архитектур. Наконец, это позволяет Rust интегрироваться с другими языками и инструментами, использующими LLVM, такими как C, C++, Swift и Julia, что упрощает создание сложных систем, использующих несколько языков и компонентов.
Кроме того, LLVM предоставляет серверную часть генератора кода, которая может генерировать собственный машинный код для широкого спектра архитектур, включая x86, ARM, MIPS и PowerPC. Это позволяет скомпилировать код Rust в машинный код, который может выполняться на различных аппаратных платформах.
LLVM также важен для Rust, поскольку он предоставляет модульную и многоразовую инфраструктуру, которая упрощает разработку и обслуживание компиляторов и наборов инструментов. Это позволяет разработчикам сосредоточиться на функциях и оптимизации, специфичных для конкретного языка, не беспокоясь о деталях низкого уровня, таких как планирование команд, распределение регистров и выдача кода.
В целом, LLVM - это мощная и гибкая инфраструктура, предоставляющая широкий спектр инструментов и технологий для оптимизации и анализа кода. Его модульная конструкция и независимость от платформы делают его идеальным выбором для разработки компиляторов и наборов инструментов для различных языков программирования и архитектур, включая Rust.
Шаги по использованию LLVM IR и их компиляции с помощью Rust: демонстрация кода
Вот шаги по использованию LLVM IR и их компиляции с помощью Rust:
Напишите некоторый Rust-код и скомпилируйте его в LLVM IR с помощью компилятора rustc. Например, предположим, что у нас есть следующий код Rust в файле с именем example.rs:
Мы можем скомпилировать этот код в LLVM IR, используя следующую команду:
Это сгенерирует ИК-файл LLVM с именем example.ll.
1. Оптимизируйте ИК-код LLVM с помощью LLVM optimizer. Мы можем использовать инструмент opt для оптимизации ИК-кода LLVM. Например, мы можем использовать следующую команду для запуска уровня оптимизации -O3 в примере.заполненный файл:
Это сгенерирует оптимизированный LLVM IR-файл с именем example_optimized.ll.
2. Скомпилируйте оптимизированный ИК-код LLVM в машинный код, используя генератор кода LLVM. Мы можем использовать инструмент llc для генерации собственного машинного кода из оптимизированного ИК-кода LLVM. Например, мы можем использовать следующую команду для генерации собственного машинного кода для архитектуры x86-64:
Это сгенерирует файл собственного машинного кода с именем example.o.
3. Свяжите файл собственного машинного кода с библиотеками среды выполнения Rust и сгенерируйте окончательный исполняемый двоичный файл. Мы можем использовать компилятор rustc, чтобы связать файл собственного машинного кода с библиотеками Rust runtime и сгенерировать конечный исполняемый двоичный файл. Например, мы можем использовать следующую команду для создания исполняемого двоичного файла с именем example:
Это сгенерирует окончательный исполняемый двоичный файл с именем example.
Чтобы продемонстрировать эти шаги, давайте рассмотрим пример с использованием кода Rust, который мы написали ранее:
4. Напишите некоторый Rust-код и скомпилируйте его в LLVM IR с помощью компилятора rustc:
5. Оптимизируйте ИК-код LLVM с помощью LLVM optimizer:
6. Скомпилируйте оптимизированный ИК-код LLVM в машинный код, используя генератор кода LLVM:
7. Свяжите файл собственного машинного кода с библиотеками среды выполнения Rust и сгенерируйте окончательный исполняемый двоичный файл:
Теперь мы можем запустить пример двоичного файла:
Вывод
Rust может получить очень низкий уровень, и понимание этих низкоуровневых технологий даст больше возможностей при использовании Rust.
Я новичок в этом, но я пытаюсь продвинуться вперед, чем глубже проникает магия, тем мощнее становятся язык и компиляторы.
Это захватывающе, так что не стесняйтесь перечитать мои заметки по этому поводу, я надеюсь, это поможет уважаемому читателю лучше понять динамику между компиляторами LLVM и Rust.
и так далее
Хорошо, что бы эта статья получила большое внимание, и я хотел бы подробнее остановиться на вопросе, который был задан о том, что у Rust есть собственная версия LLVM IR.
В чем разница между LLVM IR от Rust и самим LLVM IR
LLVM IR от Rust - это слегка модифицированная версия LLVM IR (промежуточное представление), адаптированная к конкретным потребностям Rust. Модификации, внесенные в LLVM IR компанией Rust, предназначены для улучшения генерации кода для уникальных функций Rust, таких как проверка заимствований и анализ срока службы.
Основное различие между LLVM IR от Rust и самим LLVM IR заключается в добавлении специфичных для Rust конструкций. Например, LLVM IR от Rust включает новые типы для представления ссылок и связанных с ними типов, которые являются важными функциями в Rust. Rust также использует функцию метаданных LLVM для хранения дополнительной информации о конструкциях Rust, которой нет в стандартном IR LLVM.
Другое отличие заключается в том, что LLVM IR от Rust разработан для поддержки модели владения Rust, которой нет в других языках программирования. Модель владения позволяет Rust обеспечивать безопасность памяти и предотвращать распространенные ошибки программирования, такие как разыменование нулевого указателя и ошибки использования после освобождения. Для поддержки этой модели владения LLVM IR от Rust включает дополнительную информацию о владении памятью и сроках службы.
В целом, модификации Rust в LLVM IR относительно незначительны, а базовая структура и функциональность LLVM IR остаются прежними. Однако эти модификации важны для производительности и оптимизации Rust, и они позволяют Rust в полной мере использовать возможности LLVM, сохраняя при этом уникальные функции Rust.
Я надеюсь, что это прояснит ситуацию еще больше, ИК-ядро LLVM по сути то же самое, но ИК-версия LLVM, разработанная специально для Rust, имеет функции именно для Rust.
Статья на list-site.
