【编译器】-LLVMIR

概述

LLVM 是一种基于静态单赋值 (SSA) 的表示形式，提供类型安全、低级操作、灵活性以及干净地表示“所有”高级语言的能力。

• LLVM IR 是一门低级语言，语法类似于汇编
• 任何高级编程语言（如C++）都可以用LLVM IR表示
• 基于LLVM IR可以很方便地进行代码优化
  LLVM IR（Intermediate Representation，中间表示）有三种主要的表现形式，这些形式允许编译器在不同的阶段以适合的方式操作和处理代码。这三种表现形式是：

1. 文本形式（Textual Form）
2. 二进制形式（Binary Form，又称 Bitcode）
3. 内存中的数据结构（In-Memory Data Structures）
   文本形式是 LLVM IR 的人类可读版本，通常用作调试和分析工具。它使用类似汇编语言的语法，描述编译器生成的中间代码。可以通过 LLVM 工具（如 llvm-dis）将 LLVM Bitcode 转换为文本形式，或者通过 clang 编译器生成。但体积较大，不适合高效存储和传输。

• LLVM IR 的文本形式包含全局变量、函数、指令、类型、元数据等内容。
• 它具备结构化语法，与汇编语言类似，但具有高级语言特性，如面向对象、类型系统和 SSA（Static Single Assignment，静态单赋值）形式。

define i32 @sum(i32 %a, i32 %b) {   %1 = add i32 %a, %b   ret i32 %1 }

二进制形式 是 LLVM IR 的紧凑编码形式，称为 Bitcode。它是 LLVM IR 的序列化格式，设计为编译器内部和外部使用，以便高效存储、传输和重用。

• Bitcode 是 LLVM 的高效二进制格式，结构紧凑，适合存储在磁盘上或在网络中传输。
• Bitcode 是目标无关的，因此可以在不同的硬件平台上重新使用。
• Bitcode 保留了完整的 LLVM IR 信息，可以反序列化为文本形式或直接用于生成机器代码。
  LLVM 编译器可以生成 Bitcode 文件，通常以 .bc 后缀保存。例如，可以通过 clang 命令生成 Bitcode 文件，可以使用 llvm-dis 将 Bitcode 转换回文本形式。

clang -emit-llvm -c input.c -o output.bcllvm-dis output.bc -o output.ll

内存中的数据结构 是 LLVM IR 的第三种表现形式，通常用于编译器在内存中对中间表示进行操作和优化。

• 在编译过程中的不同阶段，LLVM IR 会以内存中的数据结构形式存在，表示为 llvm::Module、llvm::Function、llvm::BasicBlock、llvm::Instruction 等对象。
• 内存数据结构为编译器提供了操作 IR 的 API，允许编译器或工具链进行优化、分析、代码生成等操作。

llvm::LLVMContext Context; 
llvm::Module *Module = new llvm::Module("test", Context); 
llvm::IRBuilder<> Builder(Context);  
llvm::FunctionType *FuncType = llvm::FunctionType::get(Builder.getInt32Ty(), false); 
llvm::Function *Func = llvm::Function::Create(FuncType, llvm::Function::ExternalLinkage, "foo", Module); 

LLVM IR结构

• 源代码被编译为LLVM IR后，具有以下结构：
  

模块 Module

• 一个源代码对应LLVM IR中的一个模块。
• 头部信息包含程序的目标平台，如X86、ARM等，和一些其他信息。
• 全局符号包含全局变量、函数的定义与声明。
  每个模块由函数、全局变量和符号表条目组成。模块可以与 LLVM 链接器组合在一起，它合并函数（和全局变量）定义、解析前向声明并合并符号表条目。一般来说，模块由全局值列表组成（其中函数和全局变量都是全局值）。全局值由指向内存位置的指针（在本例中为指向 char 数组的指针和指向函数的指针）表示
  target triple 是一个描述目标平台的字符串，通常由三个或四个部分组成，它标识了 LLVM 编译器生成的目标机器的体系结构、供应商、操作系统和可选的环境或 ABI（应用程序二进制接口）。
  ---
  target datalayout 字段描述了目标机器的数据布局规则。它告诉编译器在特定的硬件架构上如何排列数据、对齐内存、以及如何计算数据类型的大小等。
  target datalayout = “e-m:e-i64:64-f80:128-n8:16:32:64-S128”
  函数 Function
• LLVM IR中的函数表示源代码中的某个函数。
• 参数，顾名思义为函数的参数。
• 一个函数由若干基本块组成，其中函数最先执行的基本块为入口块。
  基本块 BasicBlock
• 一个基本块由若干个指令和标签组成。
• 正常情况下，基本块的最后一条指令为跳转指令（br或者switch），或返回指令（retn），也叫作终结指令（Terminator Instruction）。
• PHI指令是一种特殊的指令。
  LLVM IR语法
  LLVM 标识符有两种基本类型：全局标识符和本地标识符。全局标识符（函数、全局变量）以’@’ 字符开头。本地标识符（寄存器名称、类型）以 '%'字符开头。
  标识符有三种不同的格式：

1. 命名值表示为带有前缀的字符串。例如，%foo，@DivisionByZero， %a.really.long.identifier。实际使用的正则表达式是“ [%@][-a-zA-Z${.}_{]}[-a-zA-Z$._0-9]*”
2. 未命名的值表示为带有前缀的无符号数值。例如，%12，@2，%44。
3. 常量
   LLVM 程序中的字符串由字符分隔"。在字符串中，除\ 开始转义的字符和"结束字符串的第一个字符外，所有字节均按字面意思处理。

• 要表示一个"字符，请使用\22. （"将以尾随 结束字符串\。）
• 换行符不会终止字符串常量；字符串可以跨越多行。
• 字符串常量的解释（例如它们的字符编码）取决于上下文。
  所有全局变量和函数都具有以下链接类型之一：
• private：具有“ ”链接的全局值private只能由当前模块中的对象直接访问。
• linkonce：当链接发生时，具有“ linkonce”链接的全局变量将与其他同名全局变量合并。
• external：如果没有使用上述标识符，则全局是外部可见的，这意味着它参与链接并可用于解析外部符号引用。
  所有全局变量和函数都具有以下可见性样式之一：
  “ default” - 默认样式：在使用 ELF 对象文件格式的目标上，默认可见性意味着声明对其他模块可见，并且在共享库中意味着声明的实体可以被覆盖。
  “ hidden”——隐藏风格：如果具有隐藏可见性的对象位于同一共享对象中，则它们的两个声明将引用同一对象。
  “ protected” - 受保护的样式：在 ELF 上，受保护的可见性表示符号将放置在动态符号表中，但定义模块内的引用将绑定到本地符号。也就是说，该符号不能被另一个模块覆盖。

数据表示

第一类类型
第一类类型是可以被直接传递给函数、保存在内存中、从函数返回的类型。
整数类型：为所需的整数类型指定任意位宽度。可以指定从 1 位到 2 (23) （约 800 万）的任意位宽。
i1
一位整数。
i32
32 位整数。
i1942652
一个超过 100 万位的大整数。
浮点类型：
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指针类型：ptr用于指定内存位置。指针通常用于引用内存中的对象。指针类型可以具有可选的地址空间属性，定义所指向的对象所在的编号地址空间。
向量类型：向量类型是表示元素向量的简单派生类型。向量类型需要大小（元素数量）、基础原始数据类型和可扩展属性来表示向量，其中确切的硬件向量长度在编译时未知。
标签类型：标签类型代表代码标签。
令牌类型：当值与指令关联时使用令牌类型。
元数据类型：表示嵌入的元数据。
结构类型：用于表示内存中数据成员的集合。结构的元素可以是具有大小的任何类型。
常量
简单常量：布尔常量、整数常量、浮点常量、空指针常量、令牌常量
复数常量：结构常量、数组常量、向量常量、元素常量
undef：字符串 ’ undef’ 可以用在需要常量的任何地方，并指示该值的用户可能会收到未指定的位模式。

数据区里的数据
在LLVM IR中定义一个存储在数据区中的全局变量，其格式为：

@global_variable = global i32 0

如果是只读的全局变量，也就是常量，我们可以用constant来代替global：

@global_constant = constant i32 0

在LLVM IR中，所有的全局变量的名称都需要用@开头。
链接类型
对于链接类型，常用的主要有什么都不加（默认为external）、private和internal。

用private，则代表这个变量的名字不会出现在符号表中。我们将原来的代码改写成

@global_variable = private global i32 0

用internal则表示这个变量是以局部符号的身份出现（全局变量的局部符号，可以理解成C中的static关键词）。我们将原来的代码改写成

@global_variable = internal global i32 0

寄存器内的数据和栈上的数据

全局变量和栈上变量皆指针
LLVM IR把它们都看作指针。也就是说，对于全局变量：

@global_variable = global i32 0

和栈上变量

%local_variable = alloca i32

寄存器
在LLVM IR中，一个函数的局部变量可以是寄存器或者栈上的变量。对于寄存器而言，我们只需要像普通的赋值语句一样操作，但需要注意名字必须以%开头：

%local_variable = add i32 1, 2

栈
当不需要操作地址并且寄存器数量足够时，我们可以直接使用寄存器。而LLVM IR的策略保证了我们可以使用无数的虚拟寄存器。那么，在需要操作地址以及需要可变变量（之后会提到为什么）时，我们就需要使用栈。

%local_variable = alloca i32

SSA
LLVM IR是一个严格遵守SSA(Static Single Assignment)策略的语言。SSA的要求很简单：每个变量只被赋值一次。
把可变变量放到全局变量或者栈内变量里，虚拟寄存器只存储不可变的变量。比如说，我想实现上面的功能，把两次运算结果储存到同一个变量内：

%stack_variable = alloca i32
%1 = add i32 1, 2
store i32 %1, i32* %stack_variable
%2 = add i32 3, 4
store i32 %2, i32* %stack_variable

基本类型（Primitive Types）
LLVM IR中的基本类型是构建所有复杂类型的基础，它们直接对应硬件支持的原生数据类型。
a. 整数类型
iN: 表示一个N位的整数类型，其中N是整数位宽。LLVM支持任意位宽的整数（不局限于常见的8、16、32、64位），例如i1、i8、i16、i32、i64等。

%1 = add i32 %a, %b     ; 定义一个32位整数加法

i1: 表示布尔类型，i1通常用于条件判断和比较操作。i1的值为0（假）或1（真）。

%cond = icmp eq i32 %a, %b    ; 比较是否相等，结果为i1类型

b. 浮点数类型
half: 16位半精度浮点数。
float: 32位单精度浮点数。
double: 64位双精度浮点数。
fp128: 128位浮点数。

%1 = fadd float %a, %b     ; 定义一个32位浮点数加法 
%2 = fmul double %x, %y    ; 定义一个64位浮点数乘法

c. 其他基本类型
void: 表示无返回值的类型，通常用于函数的返回类型，表示该函数不返回任何值。
label: 表示跳转目标的标签类型，通常用于表示代码块的目标。
metadata: 元数据类型，用于附加到指令、全局变量和其他代码结构中的辅助信息，LLVM不对其执行。
x86_mmx: 表示x86架构中的MMX向量类型。
指针类型（Pointer Types）
指针类型是LLVM IR中用于引用内存地址的类型。所有指针在LLVM IR中都显示为类型化指针，即指向特定类型的指针。指针类型用*表示，表示指向类型的指针。
指针类型可以指向任意类型（例如整数、浮点数、结构体、数组等），并且可以进行算术和比较操作。

%ptr = alloca i32         ; 分配一个i32的指针 
%nullPtr = null i32*      ; 定义一个空指针

getelementptr 指令：用于计算指针的偏移量

%arrayElemPtr = getelementptr [10 x i32], [10 x i32]* %array, i32 0, i32 5 ; 获取数组中第6个元素的指针

数组类型（Array Types）
数组类型用于表示一组相同类型的元素。LLVM中的数组类型用[N x ]表示，其中N是数组的大小，是数组元素的类型。

• 数组是固定大小的，大小必须在编译时已知。
• 数组元素通过getelementptr指令访问，通过偏移计算来获得元素地址。
  @myArray = global [10 x i32] [i32 1, i32 2, i32 3, i32 4, i32 5, i32 6, i32 7, i32 8, i32 9, i32 10] ; 定义一个10元素的i32数组
  结构体类型（Structure Types）
  结构体类型是LLVM中的复合类型，表示一组不同类型的数据的组合。结构体类型用{, , …}的形式表示。
• 结构体可以包含任意类型的元素，包括基本类型、数组类型、指针类型等。
• 结构体的元素通过getelementptr指令来访问，类似于数组的元素访问。
  %myStruct = type { i32, float } ; 定义一个包含i32和float的结构体类型
  %structPtr = alloca %myStruct ; 在栈上分配结构体
  %fieldPtr = getelementptr %myStruct, %myStruct* %structPtr, i32 0, i32 1 ; 获取结构体的第二个字段
  函数类型（Function Types）
  函数类型描述了一个函数的返回类型和参数类型。函数类型用<return_type>(<arg_type1>, <arg_type2>, …)的形式表示。
• LLVM IR中的函数是类型化的，每个函数都有明确的返回类型和参数类型。
• 函数类型支持可变参数（vararg），类似于C语言中的可变参数函数。
• 函数的返回类型可以是void，表示该函数不返回值。
  define i32 @myFunction(i32 %a, float %b) {
  ; 函数体
  ret i32 %a
  }

Label类型（Label Type）
label类型用于表示跳转目标的标签，主要用于分支跳转和循环控制结构中。label类型没有直接的值，而是作为跳转目标存在。

br label %label1    ; 跳转到label1标签
label1:             ; 定义标签label1

常用指令

LLVM IR指令系统由一组用于表示程序的操作的指令组成，这些指令被设计为抽象的、简洁的并适合多种架构。LLVM IR中的指令既可以表示常见的运算操作，又可以用于表示控制流、内存操作、类型转换、以及并行化和特殊用途的指令等。

1. 算术指令（Arithmetic Instructions）
   算术指令用于基本的整数和浮点数运算。
   a. 整数算术指令
   add: 整数加法。
   %result = add i32 %a, %b ; 将a和b相加，返回i32类型结果

sub: 整数减法。
%result = sub i32 %a, %b ; 将a减去b，返回i32类型结果

mul: 整数乘法。
%result = mul i32 %a, %b ; 将a和b相乘，返回i32类型结果

udiv / sdiv: 无符号/有符号整数除法。
%result = udiv i32 %a, %b ; 无符号整数除法
%result = sdiv i32 %a, %b ; 有符号整数除法

urem / srem: 无符号/有符号整数取余。
%result = urem i32 %a, %b ; 无符号整数取余
%result = srem i32 %a, %b ; 有符号整数取余
b. 浮点数算术指令
fadd: 浮点数加法。
%result = fadd float %a, %b ; 将a和b相加，返回浮点数结果

fsub: 浮点数减法。
%result = fsub float %a, %b ; 将a减去b，返回浮点数结果

fmul: 浮点数乘法。
%result = fmul float %a, %b ; 将a和b相乘，返回浮点数结果

fdiv: 浮点数除法。
%result = fdiv float %a, %b ; 将a除以b，返回浮点数结果

frem: 浮点数取余。
%result = frem float %a, %b ; 浮点数取余操作
2. 位运算指令（Bitwise Instructions）
位运算指令用于执行位操作，主要用于整数类型。
and: 按位与。
%result = and i32 %a, %b ; 将a和b按位与

or: 按位或。
%result = or i32 %a, %b ; 将a和b按位或

xor: 按位异或。
%result = xor i32 %a, %b ; 将a和b按位异或

shl: 左移操作。
%result = shl i32 %a, %b ; 将a左移b位

lshr: 逻辑右移（无符号）。
%result = lshr i32 %a, %b ; 将a逻辑右移b位

ashr: 算术右移（有符号）。
%result = ashr i32 %a, %b ; 将a算术右移b位
3. 内存访问指令（Memory Access Instructions）
这些指令用于在内存中加载和存储数据。
alloca: 分配栈空间。
%ptr = alloca i32 ; 在栈上分配一个i32类型的空间

load: 从内存中加载数据。
%val = load i32, i32* %ptr ; 从指针%ptr指向的地址加载i32值

store: 将数据存储到内存中。
store i32 %val, i32* %ptr ; 将i32类型的值%val存储到指针%ptr指向的地址中

getelementptr (GEP)：计算数组、结构体中的元素地址。
%elemPtr = getelementptr [10 x i32], [10 x i32]* %array, i32 0, i32 2
; 获取数组中第3个元素的指针
4. 控制流指令（Control Flow Instructions）
控制流指令用于程序的跳转、条件分支、函数调用等。
a. 跳转和分支
br: 条件或无条件分支跳转。
br label %target ; 无条件跳转到标签target
br i1 %cond, label %ifTrue, label %ifFalse ; 条件分支，若%cond为真则跳转到ifTrue，否则跳转到ifFalse

switch: 类似C语言中的switch语句，进行多分支选择。
switch i32 %val, label %default [i32 1, label %case1, i32 2, label %case2]

b. 函数调用
call: 调用一个函数。
%result = call i32 @myFunction(i32 %arg1, float %arg2)

ret: 返回函数结果。
ret i32 %result ; 返回i32类型的结果

c. 不正常终止
unreachable: 表示程序不可达位置，编译器假定不会到达该指令。
unreachable
5. 类型转换指令（Conversion Instructions）
类型转换指令用于在不同类型之间进行转换，确保类型安全。
trunc: 截断，将大类型缩减为小类型。
%small = trunc i32 %big to i8 ; 将32位整数截断为8位整数

zext / sext: 零扩展/符号扩展，将小类型扩展为大类型。
%big = zext i8 %small to i32 ; 将8位整数零扩展为32位

fptrunc / fpext: 浮点数截断/扩展。
%smallFloat = fptrunc double %bigFloat to float ; 截断双精度浮点数为单精度

bitcast: 位转换，不改变位模式，只改变解释方式。
%ptr = bitcast i32* %a to float* ; 将i32指针解释为float指针

addrspacecast: 在不同地址空间之间转换指针。
%ptr2 = addrspacecast i32 addrspace(1)* %ptr to i32 addrspace(2)*
6. 比较指令（Comparison Instructions）
这些指令用于对整数、浮点数进行比较，返回布尔类型的i1值。
a. 整数比较指令
icmp: 整数比较指令，支持多种条件（例如相等、大小关系等）。
%isEqual = icmp eq i32 %a, %b ; 判断a是否等于b
%isGreater = icmp sgt i32 %a, %b ; 判断a是否大于b（有符号比较）

b. 浮点数比较指令
fcmp: 浮点数比较指令。
%isEqual = fcmp oeq float %a, %b ; 判断a是否等于b
%isGreater = fcmp ogt float %a, %b ; 判断a是否大于b
7. 原子和同步指令（Atomic and Synchronization Instructions）
这些指令用于并发编程中的原子操作和同步控制。
atomicrmw: 原子读-修改-写操作。
%result = atomicrmw add i32* %ptr, i32 1 seq_cst
; 原子地将1加到%ptr指向的i32值中

cmpxchg: 比较并交换指令。
%old = cmpxchg i32* %ptr, i32 %oldVal, i32 %newVal seq_cst

fence: 用于保证内存访问顺序。
fence acquire
8. 其他指令
a. phi节点
用于在SSA（单静态赋值）形式中选择来自不同控制流路径的值。
%x = phi i32 [ 0, %entry ], [ %y, %loop ]

b. 内联汇编（Inline Assembly）
允许在LLVM IR中嵌入目标架构的汇编代码。
call void asm “mov $0, %eax”, “r”(i32 %val)

c. select
条件选择指令，根据布尔条件选择不同的值。
%result = select i1 %cond, i32 %a, i32 %b ; 如果%cond为true则选择a，否则

函数

在LLVM IR（中间表示）中，函数是程序的基本构建块。它们可以被视为一组指令的集合。LLVM IR中的函数不仅描述了函数的签名，还包括其内部的控制流、局部变量、参数传递和返回值的处理等。

1. 函数定义（Function Definition）
   在LLVM IR中，函数的定义由其返回类型、函数名、参数类型、以及可选的函数属性组成。
   define <return_type> @function_name(<param_type1> %param1, <param_type2> %param2, …) {
   ; function body
   }
2. 函数参数（Function Parameters）
   函数的参数在定义时声明，并在调用时传递。参数在函数体内部以局部变量的形式使用。

• 参数可以是基本类型、结构体类型、指针类型等。
• 参数的顺序和类型在函数调用时必须匹配。

3. 返回值（Return Values）
   LLVM IR函数可以有一个返回值，使用ret指令来返回。返回值的类型必须与函数定义中的返回类型一致。
   LLVM IR不直接支持返回多个值，但可以通过结构体或元组等复合类型来实现
   %result = call {i32, i32} @function_returning_struct(i32 %a, i32 %b)
4. 函数调用（Function Call）
   函数调用通过call指令完成，传递参数并接收返回值。
   %result = call i32 @add(i32 10, i32 20)
   LLVM IR支持可变参数函数，使用…表示参数列表的可变性。
   define i32 @sum(i32 %count, …) {
   ; 函数体
   }
5. 函数属性（Function Attributes）
   LLVM 函数定义由“ define”关键字、可选的链接类型、可选的运行时抢占说明符、可选的可见性样式、可选的DLL 存储类、可选的调用约定、可选的unnamed_addr属性、返回类型、可选的 参数属性组成。
   define [linkage] [PreemptionSpecifier] [visibility] [DLLStorageClass]
   [cconv] [ret attrs]
   @ ([argument list])
   [(unnamed_addr|local_unnamed_addr)] [AddrSpace] [fn Attrs]
   [section “name”] [partition “name”] [comdat [($name)]] [align N]
   [gc] [prefix Constant] [prologue Constant] [personality Constant]
   (!name !N)* { … }
   LLVM 函数声明由“ declare”关键字、可选链接类型、可选可见性样式、可选DLL 存储类、可选调用约定、可选unnamed_addr orlocal_unnamed_addr属性、可选地址空间、返回类型、可选参数属性组成。

函数属性用于指定优化行为和调用约定，常见的属性包括：

• nounwind: 指示函数不会抛出异常。
• readonly: 函数不会修改任何全局状态。
• writeonly: 函数不会读取任何参数。
• tail: 尾调用优化指示，允许编译器进行尾调用优化。
  内联函数在调用时会被替换为函数体的内容，以减少函数调用的开销。LLVM IR支持将函数标记为内联。
  define void @inline_function() alwaysinline { ; 函数体 }
  LLVM IR支持控制函数的可见性，使用不同的链接属性来控制符号的暴露。
• private: 仅在当前模块可见。
• internal: 在模块内可见，但不能导出。
• external: 其他模块可见，可以被调用。
  define internal i32 @internal_function() { ; 函数体 }

内部函数

LLVM IR 中的内部函数（Intrinsics）是提供特定功能的内建函数，通常用于对低级硬件操作的封装或为某些特定平台提供优化。内部函数不像普通函数，它们是编译器特有的，用于向LLVM传递某些特定的指令或操作提示。
这些内部函数以llvm.为前缀，通过函数调用语法使用，但实际上它们不会生成常规的函数调用，而是直接转化为底层机器指令或特定的编译优化操作。它们可以在代码优化、平台相关操作、特殊内存管理、向量化等方面发挥重要作用。
内部函数的定义与特性
LLVM 内部函数（intrinsics）与普通函数有以下不同特性：

• 前缀：内部函数以llvm.为前缀，例如llvm.memcpy.p0i8.p0i8.i64。
• 不生成普通调用指令：它们直接映射到底层指令，或在某些情况下成为编译时的优化提示。
• 跨平台支持：很多内部函数具有跨平台能力，例如向量操作和内存管理。
• 特定目的：用于硬件加速、内存访问控制、并行计算支持等特殊功能。

内存操作相关的内部函数
这些内部函数用于执行各种内存相关的操作，如复制、设置、加载和存储。

llvm.memcpy.*: 复制内存区域。
call void @llvm.memcpy.p0i8.p0i8.i64(i8* %dest, i8* %src, i64 %size, i1 false)llvm.memmove.*: 内存块重叠时的内存移动。
call void @llvm.memmove.p0i8.p0i8.i64(i8* %dest, i8* %src, i64 %size, i1 false)llvm.memset.*: 将某个字节值填充到内存区域。
call void @llvm.memset.p0i8.i64(i8* %dest, i8 0, i64 %size, i1 false)llvm.lifetime.start 和 llvm.lifetime.end: 用于标记内存的生命周期提示。
call void @llvm.lifetime.start.p0i8(i64 64, i8* %ptr)
call void @llvm.lifetime.end.p0i8(i64 64, i8* %ptr)

数学运算相关的内部函数
这些内部函数提供对硬件加速的数学操作支持，通常用于加速计算密集型应用。

llvm.sqrt.*: 计算平方根。
%result = call float @llvm.sqrt.f32(float %val)llvm.pow.*: 计算幂。
%result = call double @llvm.pow.f64(double %base, double %exp)llvm.sin.*, llvm.cos.*, llvm.log.*: 常用的三角函数、对数函数等数学操作。

位操作相关的内部函数
这些内部函数用于处理低级的位操作。
llvm.ctlz.*: 计算从高位开始的连续0的个数（Count Leading Zeros）。

%zeros = call i32 @llvm.ctlz.i32(i32 %val, i1 false)llvm.cttz.*: 计算从低位开始的连续0的个数（Count Trailing Zeros）。
%zeros = call i32 @llvm.cttz.i32(i32 %val, i1 false)llvm.bswap.*: 交换字节顺序（Byte Swap），常用于大端和小端之间的转换。
%swapped = call i32 @llvm.bswap.i32(i32 %val)

原子操作和同步相关的内部函数
这些内部函数提供对并发编程中原子操作和同步的支持。

llvm.atomicrmw.*: 原子读-修改-写操作。%result = atomicrmw add i32* %ptr, i32 1 seq_cstllvm.cmpxchg.*: 比较并交换（Compare-and-Swap）。
%old = cmpxchg i32* %ptr, i32 %oldVal, i32 %newVal seq_cstllvm.fence.*: 内存屏障，用于保证多线程之间的内存访问顺序。
fence acquire

控制流相关的内部函数
这些函数用于控制LLVM IR中代码生成或优化过程中的控制流逻辑。
llvm.expect.*: 提示编译器某个布尔条件在运行时更可能为true或false，从而进行分支预测优化。
%likely = call i1 @llvm.expect.i1(i1 %condition, i1 true)
栈操作相关的内部函数
这些内部函数用于管理栈内存分配，特别是在内存分配不确定的场景中。

llvm.stacksave 和 llvm.stackrestore: 保存和恢复栈指针。
%stack_ptr = call i8* @llvm.stacksave()
call void @llvm.stackrestore(i8* %stack_ptr)llvm.alloca: 动态分配栈空间，类似C语言中的alloca函数。
%ptr = alloca i32

向量化和SIMD（单指令多数据）相关的内部函数
LLVM提供了一系列的内部函数来支持向量化操作，特别是在处理并行数据时。

llvm.vector.reduce.add.*: 向量加法的归约操作。
%sum = call float @llvm.vector.reduce.add.v4f32(<4 x float> %vec)llvm.vector.shuffle: 对向量中的元素进行洗牌操作。
%result = call <4 x i32> @llvm.vector.shuffle.v4i32(<4 x i32> %vec1, <4 x i32> %vec2, <4 x i32> %mask)llvm.x86.sse2.*: 提供对x86 SSE2指令集的支持，如SIMD操作。
%result = call <2 x double> @llvm.x86.sse2.add.pd(<2 x double> %vec1, <2 x double> %vec2)

内部函数的生命周期

1. LLVM IR 生成阶段
   在前端编译器（如 Clang）将高级语言代码（如 C/C++）转换为 LLVM IR 时，内部函数被插入到 LLVM IR 中。例如，当代码中涉及到特定的操作，如内存复制、数学计算或原子操作，编译器可能会插入相应的内部函数，如 llvm.memcpy、llvm.sqrt 或 llvm.atomicrmw。
   此时，内部函数仅仅以函数调用的形式存在于 LLVM IR 中，类似于其他普通函数调用。
2. LLVM 中间优化阶段
   在 LLVM 的中间优化过程中，内部函数和其他 IR 指令一起被处理。LLVM 的优化器可能识别和优化这些内部函数。例如：

• 常量传播：对于像 llvm.sqrt 这样的数学运算，如果操作数是常量，优化器可以在此阶段直接计算结果。
• 内联优化：某些内部函数可能会被展开为更简单的 IR 指令，尤其是那些可以直接映射为标准的 LLVM IR 指令的内部函数。
  此阶段，内部函数仍然作为 LLVM IR 的一部分被表示。

3. LLVM 后端生成阶段
   在代码生成阶段，后端根据目标硬件架构将 LLVM IR 转换为具体的机器代码。在这一阶段，内部函数的处理方式取决于目标平台的硬件特性：

• 对于某些内部函数（如 llvm.sqrt、llvm.memcpy），后端会将它们映射为目标平台上的硬件指令，如 x86 上的 sqrtss 或 rep movsb 指令。
• 对于一些复杂的内部函数，后端可能会使用一系列指令来实现其功能，或者展开为更底层的操作。
  在后端生成机器代码的过程中，内部函数会被转换或替换为具体的目标指令。至此，内部函数的生命周期结束。

元数据

元数据（Metadata） 是一种特殊的附加信息，不影响程序的功能执行，但能为编译器优化、调试和分析提供重要的辅助信息。元数据可以包含调试信息、代码优化提示、分析信息等。元数据不会在生成的目标代码中体现，也不会改变代码的行为。
元数据的基本结构使用 ! 符号表示。

• 元数据分为 独立元数据 和 附加元数据。
  • 独立元数据：与指令或变量无直接关联的元数据。
  • 附加元数据：绑定在指令或全局变量上，为它们提供额外的信息。
    !0 = !{!“some information”} ; 定义一个元数据节点
    1、元数据的语法
    元数据的语法有多种形式，包括元数据节点、字符串、整型、浮点数等。常见的元数据语法如下：
    元数据节点：
    元数据可以表示为一个元数据节点，用花括号括起来，节点中的元素可以是常量、字符串、其他元数据节点等。

!0 = !{!"metadata example", i32 42, !1}
!1 = !{!"nested metadata", i1 true}

附加元数据：
元数据可以与指令关联，这样的元数据叫做附加元数据。它附加在 LLVM IR 的指令后，用元数据节点标记。
%result = add i32 %a, %b, !metadata_tag !0 ; 这个 add 指令带有元数据
在上面例子中，add 指令关联了元数据 !0，其中 !metadata_tag 是元数据的标签名。
元数据的类型
2、元数据的类型
LLVM IR 中的元数据主要有以下几种类型：
调试元数据（Debug Metadata）
调试元数据用于生成调试信息，通常包括源文件名、行号、变量类型等。这些信息不会影响程序的功能，但可以帮助调试工具（如 GDB 或 LLDB）还原源代码中的调试信息。
调试元数据包括以下类型：

• DILocation：存储指令的源代码位置信息，如行号和文件名。
• DISubprogram：描述函数的信息。
• DIType：存储类型信息。
• DIVariable：存储变量信息。

%1 = call i32 @some_function(), !dbg !12
!12 = !DILocation(line: 42, column: 13, scope: !13)
!13 = !DISubprogram(name: "some_function", ...)

这里的 !dbg 标记表示调用指令 %1 关联了调试信息，!12 描述了源代码中的行号、列号等。
优化提示元数据（Optimization Metadata）
优化提示元数据为编译器提供如何优化代码的提示，例如循环展开、向量化、分支预测等。
常见的优化元数据包括：

• !llvm.loop: 提供循环优化的信息。
• !llvm.mem.parallel_loop_access: 指示内存访问的并行性，提示编译器可以安全地对循环进行并行化。
  优化元数据示例：

br label %loop, !llvm.loop !10
!10 = distinct !{!10, !11}
!11 = !{!"llvm.loop.unroll.full"}

这个例子中的 !llvm.loop.unroll.full 表示编译器可以完全展开这个循环。
分析元数据（Analysis Metadata）
分析元数据用于静态分析工具，它提供了额外的信息，以便工具能更好地分析代码。例如，!range 元数据可以为值提供范围信息，帮助分析工具推断变量的取值范围。

%result = load i32, i32* %ptr, !range !20
!20 = !{i32 0, i32 100}  ; 表示 %result 的值在 0 到 100 之间

Type Metadata（类型元数据）
这类元数据描述的是类型信息，特别是在编译器优化过程中，元数据会为类型提供更多的上下文信息，帮助编译器作出优化决策。
TBAA Metadata（Type-Based Alias Analysis 元数据）
TBAA 元数据用于类型别名分析，帮助编译器了解不同内存位置是否可以别名。通过提供别名信息，编译器能够进行更激进的优化。
TBAA 元数据可以防止不必要的内存依赖检查，提升性能。
TBAA 元数据示例：

%0 = load i32, i32* %ptr, !tbaa !5
!5 = !{!"Simple C/C++ TBAA", !6, i64 0}