Learn LLVM 17

یاد بگیرید چگونه کل طیف کامپایلرهای دنیای واقعی را بسازید و استفاده کنید؛ از فرانت‌اند (Frontend) و خط لوله بهینه‌سازی (Optimization Pipeline) گرفته تا پیاده‌سازی یک بک‌اند (Backend) جدید با استفاده از قدرت کتابخانه‌های اصلی LLVM.

🔑 ویژگی‌های کلیدی

• یادگیری مرحله‌به‌مرحله استفاده از کتابخانه‌های LLVM

• درک طراحی سطح‌بالای کامپایلرهای LLVM و به‌کارگیری آن در پروژه‌های خودتان

• افزودن یک بک‌اند جدید برای پشتیبانی از معماری CPUهای ناشناخته

📖 توضیح کتاب

LLVM برای پر کردن شکاف میان دانش تئوری موجود در کتاب‌های درسی کامپایلر و نیازهای عملی توسعه کامپایلر ساخته شد. با کدبیس ماژولار و ابزارهای پیشرفته، LLVM به توسعه‌دهندگان این توانایی را می‌دهد که کامپایلرها را ساده‌تر و قدرتمندتر بسازند.

این کتاب یک راهنمای عملی و کاربردی برای LLVM است که شما را به صورت تدریجی وارد سناریوهای پیچیده می‌کند و کمک می‌کند مانند یک حرفه‌ای در مسیر ساخت و کار با کامپایلرها حرکت کنید.

کتاب با نصب و پیکربندی کتابخانه‌ها و ابزارهای LLVM آغاز می‌شود. سپس طراحی LLVM و نقش آن در هر مرحله کامپایلر (فرانت‌اند، بهینه‌ساز و بک‌اند) بررسی می‌شود. شما با استفاده از یک زیرمجموعه زبان برنامه‌نویسی واقعی، یک فرانت‌اند می‌سازید، LLVM IR تولید می‌کنید، آن را بهینه‌سازی کرده و در نهایت کد ماشین تولید می‌کنید.

در فصول پیشرفته‌تر با موضوعاتی مانند توسعه Pass جدید در LLVM، استفاده از ابزارهای LLVM برای دیباگ، ارتقای کیفیت کد، و همچنین مسائل مرتبط با JIT Compilation و وضعیت فعلی پشتیبانی آن در LLVM آشنا می‌شوید. در نهایت، یک بک‌اند جدید توسعه خواهید داد و با توصیف هدف (Target Description) و نحوه انتخاب دستورالعمل‌ها (Instruction Selection) آشنا خواهید شد.

تا پایان این کتاب، شما تجربه‌ای عملی از چارچوب توسعه کامپایلر LLVM خواهید داشت و با مثال‌ها و کدهای واقعی پیش خواهید رفت.

🛠️ آنچه خواهید آموخت

• پیکربندی، کامپایل و نصب فریمورک LLVM

• شناخت ساختار سورس کد LLVM

• نحوه استفاده از LLVM در پروژه‌های شخصی

• ساختار یک کامپایلر و پیاده‌سازی یک کامپایلر کوچک

• تولید LLVM IR برای سازه‌های زبان سطح بالا

• راه‌اندازی خط لوله بهینه‌سازی و سفارشی‌سازی آن

• گسترش LLVM با Transformation Pass و ابزارهای Clang

• افزودن دستورالعمل‌های جدید و ساخت یک بک‌اند کامل

👨‍💻 مخاطبان کتاب

این کتاب برای توسعه‌دهندگان کامپایلر، علاقه‌مندان و مهندسانی است که به LLVM تازه وارد شده‌اند. همچنین برای مهندسان نرم‌افزار ++C که به دنبال ابزارهای مبتنی بر کامپایلر برای تحلیل و بهبود کد هستند و کاربران عادی LLVM که می‌خواهند درک عمیق‌تری از آن داشته باشند نیز مفید است.

📌 پیش‌نیاز: آشنایی در سطح متوسط با زبان ++C.

📑 فهرست مطالب

1. نصب LLVM
2. ساختار یک کامپایلر
3. تبدیل سورس فایل به درخت نحوی انتزاعی (AST)
4. مبانی تولید کد IR
5. تولید IR برای سازه‌های سطح بالای زبان
6. تولید IR پیشرفته
7. بهینه‌سازی IR
8. زبان TableGen
9. کامپایل JIT
10. دیباگ با ابزارهای LLVM
11. توصیف هدف (Target Description)
12. انتخاب دستورالعمل (Instruction Selection)
13. فراتر از انتخاب دستورالعمل

👩‍🔬 درباره نویسندگان

کای ناکه (Kai Nacke) – معمار حرفه‌ای IT مقیم تورنتو، کانادا. او دیپلم علوم کامپیوتر از دانشگاه فنی دورتموند دارد و پایان‌نامه‌اش درباره توابع هش همگانی به‌عنوان بهترین پایان‌نامه ترم انتخاب شد. با بیش از ۲۰ سال تجربه در صنعت IT، در زمینه توسعه و معماری نرم‌افزارهای تجاری و سازمانی تخصص دارد. او سال‌ها نگهدارنده LDC (کامپایلر D مبتنی بر LLVM) بوده و کتاب‌های D Web Development و Learn LLVM 12 را نوشته است.

ایمی کوان (Amy Kwan) – توسعه‌دهنده کامپایلر در تورنتو، کانادا. او کارشناسی علوم کامپیوتر از دانشگاه ساسکاچوان دارد. در حال حاضر به‌عنوان توسعه‌دهنده بک‌اند LLVM فعالیت می‌کند و در کنفرانس LLVM 2022 نیز همراه با کای ناکه سخنرانی داشته است.

Learn how to build and use the complete spectrum of real-world compilers, including the frontend, optimization pipeline, and a new backend by leveraging the power of LLVM core libraries

Key Features

• Get to grips with using LLVM libraries step by step
• Understand the high-level design of LLVM compilers and apply these principles to your own compiler
• Add a new backend to target an unsupported CPU architecture

Book Description

LLVM was built to bridge the gap between the theoretical knowledge found in compiler textbooks and the practical demands of compiler development. With a modular codebase and advanced tools, LLVM empowers developers to build compilers with ease. This book serves as a practical introduction to LLVM, guiding you progressively through complex scenarios and ensuring that you navigate the challenges of building and working with compilers like a pro.

The book starts by showing you how to configure, build, and install LLVM libraries, tools, and external projects. You’ll then be introduced to LLVM’s design, unraveling its applications in each compiler stage: frontend, optimizer, and backend. Using a real programming language subset, you’ll build a frontend, generate LLVM IR, optimize it through the pipeline, and generate machine code. Advanced chapters extend your expertise, covering topics such as extending LLVM with a new pass, using LLVM tools for debugging, and enhancing the quality of your code. You’ll also focus on just-in-time compilation issues and the current state of JIT-compilation support with LLVM. Finally, you’ll develop a new backend for LLVM, gaining insights into target description and how instruction selection works.

By the end of this book, you’ll have hands-on experience with the LLVM compiler development framework through real-world examples and source code snippets.

What you will learn

• Configure, compile, and install the LLVM framework
• Understand how the LLVM source is organized
• Discover what you need to do to use LLVM in your own projects
• Explore how a compiler is structured, and implement a tiny compiler
• Generate LLVM IR for common source language constructs
• Set up an optimization pipeline and tailor it for your own needs
• Extend LLVM with transformation passes and clang tooling
• Add new machine instructions and a complete backend

Who this book is for

This book is for compiler developers, enthusiasts, and engineers new to LLVM. C++ software engineers looking to use compiler-based tools for code analysis and improvement, as well as casual users of LLVM libraries who want to gain more knowledge of LLVM essentials will also find this book useful. Intermediate-level experience with C++ programming is necessary to understand the concepts covered in this book.

Table of Contents

1. Installing LLVM
2. The Structure of a Compiler
3. Turning the Source File into an Abstract Syntax Tree
4. Basics of IR Code Generation
5. IR Generation for High-Level Language Constructs
6. Advanced IR Generation
7. Optimizing IR
8. The TableGen Language
9. JIT Compilation
10. Debugging Using LLVM Tools
11. The Target Description
12. Instruction Selection
13. Beyond Instruction Selection

About the Author

Kai Nacke is a professional IT architect currently residing in Toronto, Canada. He holds a diploma in computer science from the Technical University of Dortmund, Germany. and his diploma thesis on universal hash functions was recognized as the best of the semester. With over 20 years of experience in the IT industry, Kai has extensive expertise in the development and architecture of business and enterprise applications. In his current role, he evolves an LLVM/clang-based compiler. For several years, Kai served as the maintainer of LDC, the LLVM-based D compiler. He is the author of D Web Development and Learn LLVM 12, both published by Packt. In the past, he was a speaker in the LLVM developer room at the Free and Open Source Software Developers’ European Meeting (FOSDEM).

Amy Kwan is a compiler developer currently residing in Toronto, Canada. Originally, from the Canadian prairies, Amy holds a Bachelor of Science in Computer Science from the University of Saskatchewan. In her current role, she leverages LLVM technology as a backend compiler developer. Previously, Amy has been a speaker at the LLVM Developer Conference in 2022 alongside Kai Nacke.