LLVM IR入门指南(5)——控制语句

我在之前汇编语言的教程中，是将跳转与函数放在一起讲的，因为在汇编语言中这两个概念几乎没有太大的区别。然而，到了LLVM IR中，这两者就有了比较大的区别。因此，在这篇文章中，我主要讲的是LLVM IR中控制语句的构造方法。

汇编层面的控制语句

在大多数语言中，常见的控制语句主要有四种：

• if … else
• for
• while
• switch

在汇编语言层面，控制语句则被分解为两种核心的指令：条件跳转与无条件跳转（switch其实还有一些工作，之后会提到）。我们下面分别来看看在汇编层面是怎样实现控制语句的。

if … else

我们有以下C代码：

if (a > b) {// do something A
} else {// do something B
}
// do something C

为了将这个指令改写成汇编指令，我们同时需要条件跳转与无条件跳转。我们用伪代码表示其汇编指令为：

	compare a and bjump to label B if comparison is a is not greater than b // conditional jump
label A:do something Ajump to label C // unconditional jump
label B:do something B
label C:do something C

汇编语言通过条件跳转、无条件跳转和三个标签（label A标签实际上没有作用，只不过让代码更加清晰）实现了高级语言层面的if … else语句。

for

我们有以下C代码：

for (int i = 0; i < 4; i++) {// do something A
}
// do something B

为了将这个指令改写为汇编指令，我们同样地需要条件跳转与无条件跳转：

	int i = 0
label start:compare i and 4jump to label B if comparison is i is not less than 4 // conditional jump
label A:do something Ai++jump to label start // unconditional jump
label B:do something B

而while与for则极其类似，只不过少了初始化与自增的操作，这里不再赘述。

根据我们在汇编语言中积累的经验，我们得出，要实现大多数高级语言的控制语句，我们需要四个东西：

• 标签
• 无条件跳转
• 比较大小的指令
• 条件跳转

LLVM IR层面的控制语句

下面就以我们上面的for循环的C语言版本为例，解释如何写其对应的LLVM IR语句。

首先，我们对应的LLVM IR的基本框架为

%i = alloca i32 ; int i = ...
store i32 0, i32* %i ; ... = 0
%i_value = load i32, i32* %i
; do something A
%1 = add i32 %i_value, 1 ; ... = i + 1
store i32 %1, i32* %i ; i = ...
; do something B

这个程序缺少了一些必要的步骤，而我们之后会将其慢慢补上。

标签

在LLVM IR中，标签与汇编语言的标签一致，也是以:结尾作标记。我们依照之前写的汇编语言的伪代码，给这个程序加上标签：

	%i = alloca i32 ; int i = ...store i32 0, i32* %i ; ... = 0
start:%i_value = load i32, i32* %i
A:; do something A%1 = add i32 %i_value, 1 ; ... = i + 1store i32 %1, i32* %i ; i = ...
B:; do something B

比较指令

LLVM IR提供的比较指令为icmp。其接受三个参数：比较方案以及两个比较参数。这样讲比较抽象，我们就来看一下一个最简单的比较指令的例子：

%comparison_result = icmp uge i32 %a, %b

这个例子转化为C++语言就是

bool comparison_result = ((unsigned int)a >= (unsigned int)b);

这里，uge是比较方案，%a和%b就是用来比较的两个数，而icmp则返回一个i1类型的值，也就是C++中的bool值，用来表示结果是否为真。

icmp支持的比较方案很广泛：

• 首先，最简单的是eq与ne，分别代表相等或不相等。
• 然后，是无符号的比较ugt, uge, ult, ule，分别代表大于、大于等于、小于、小于等于。我们之前在数的表示中提到，LLVM IR中一个整型变量本身的符号是没有意义的，而是需要看在其参与的指令中被看作是什么符号。这里每个方案的u就代表以无符号的形式进行比较。
• 最后，是有符号的比较sgt, sge, slt, sle，分别是其无符号版本的有符号对应。

我们来看加上比较指令之后，我们的例子就变成了：

	%i = alloca i32 ; int i = ...store i32 0, i32* %i ; ... = 0
start:%i_value = load i32, i32* %i%comparison_result = icmp slt i32 %i_value, 4 ; test if i < 4
A:; do something A%1 = add i32 %i_value, 1 ; ... = i + 1store i32 %1, i32* %i ; i = ...
B:; do something B

条件跳转

在比较完之后，我们需要条件跳转。我们来看一下我们此刻的目的：若%comparison_result是true，那么跳转到A，否则跳转到B。

LLVM IR为我们提供的条件跳转指令是br，其接受三个参数，第一个参数是i1类型的值，用于作判断；第二和第三个参数分别是值为true和false时需要跳转到的标签。比方说，在我们的例子中，就应该是

br i1 %comparison_result, label %A, label %B

我们把它加入我们的例子：

	%i = alloca i32 ; int i = ...store i32 0, i32* %i ; ... = 0
start:%i_value = load i32, i32* %i%comparison_result = icmp slt i32 %i_value, 4 ; test if i < 4br i1 %comparison_result, label %A, label %B
A:; do something A%1 = add i32 %i_value, 1 ; ... = i + 1store i32 %1, i32* %i ; i = ...
B:; do something B

无条件跳转

无条件跳转更好理解，直接跳转到某一标签处。在LLVM IR中，我们同样可以使用br进行条件跳转。如，如果要直接跳转到start标签处，则可以

br label %start

我们也把这加入我们的例子：

	%i = alloca i32 ; int i = ...store i32 0, i32* %i ; ... = 0
start:%i_value = load i32, i32* %i%comparison_result = icmp slt i32 %i_value, 4 ; test if i < 4br i1 %comparison_result, label %A, label %B
A:; do something A%1 = add i32 %i_value, 1 ; ... = i + 1store i32 %1, i32* %i ; i = ...br label %start
B:; do something B

这样看上去就结束了，然而如果大家把这个代码交给llc的话，并不能编译通过，这是为什么呢？

Basic block

首先，我们来摘录一下LLVM IR的参考指南中Functions节的一段话：

A function definition contains a list of basic blocks, forming the CFG (Control Flow Graph) for the function. Each basic block may optionally start with a label (giving the basic block a symbol table entry), contains a list of instructions, and ends with a terminator instruction (such as a branch or function return). If an explicit label name is not provided, a block is assigned an implicit numbered label, using the next value from the same counter as used for unnamed temporaries (see above).

这段话的大意有几个：

• 一个函数由许多基本块(Basic block)组成
• 每个基本块包含：
  • 开头的标签（可省略）
  • 一系列指令
  • 结尾是终结指令
• 一个基本块没有标签时，会自动赋给它一个标签

所谓终结指令，就是指改变执行顺序的指令，如跳转、返回等。

我们来看看我们之前写好的程序是不是符合这个规定。start开头的基本块，在一系列指令后，以

br i1 %comparison_result, label %A, label %B

结尾，是一个终结指令。A开头的基本块，在一系列指令后，以

br label %start

结尾，也是一个终结指令。B开头的基本块，在最后总归是需要函数返回的（这里为了篇幅省略了），所以也一定会带有一个终结指令。

看上去都很符合呀，那为什么编译不通过呢？我们来仔细想一下，我们考虑了所有基本块了吗？要注意到，一个基本块是可以没有名字的，所以，实际上还有一个基本块没有考虑到，就是函数开头的：

%i = alloca i32 ; int i = ...
store i32 0, i32* %i ; ... = 0

这个基本块。它并没有以终结指令结尾！

所以，我们把一个终结指令补充在这个基本块的结尾：

	%i = alloca i32 ; int i = ...store i32 0, i32* %i ; ... = 0br label %start
start:%i_value = load i32, i32* %i%comparison_result = icmp slt i32 %i_value, 4 ; test if i < 4br i1 %comparison_result, label %A, label %B
A:; do something A%1 = add i32 %i_value, 1 ; ... = i + 1store i32 %1, i32* %i ; i = ...br label %start
B:; do something B

这样就完成了我们的例子，大家可以在本系列的GitHub的仓库中查看对应的代码for.ll。

可视化

LLVM的工具链甚至为我们提供了可视化控制语句的方法。我们使用之前提到的LLVM工具链中用于优化的opt工具：

opt -dot-cfg for.ll

然后会生成一个.main.dot的文件。如果我们在计算机上装有Graphviz，那么就可以用

dot .main.dot -Tpng -o for.png

生成其可视化的控制流图（CFG）：

switch

下面我们来讲讲switch语句。我们有以下C语言程序：

int x;
switch (x) {case 0:// do something Abreak;case 1:// do something Bbreak;default:// do something Cbreak;
}
// do something else

我们先直接来看其转换成LLVM IR是什么样子的：

switch i32 %x, label %C [i32 0, label %Ai32 1, label %B
]
A:; do something Abr label %end
B:; do something Bbr label %end
C:; do something Cbr label %end
end:; do something else

其核心就是第一行的switch指令。其第一个参数i32 %x是用来判断的，也就是我们C语言中的x。第二个参数label %C是C语言中的default分支，这是必须要有的参数。也就是说，我们的switch必须要有default来处理。接下来是一个数组，其意义已经很显然了，如果%x值是0，就去label %A，如果值是1，就去label %B。

LLVM后端对switch语句具体到汇编层面的实现则通常有两种方案：用一系列条件语句或跳转表。

一系列条件语句的实现方式最简单，用伪代码来表示的话就是

if (x == 0) {jump to label %A
} else if (x == 1) {jump to label %B
} else {jump to label %C
}

这是十分符合常理的。然而，我们需要注意到，如果这个switch语句一共有n个分支，那么其查找效率实际上是O(n)。那么，这种实现方案下的switch语句仅仅是if … else的语法糖，除了增加可维护性，并不会优化什么性能。

跳转表则是一个可以优化性能的switch语句实现方案，其伪代码为：

labels = [label %A, label %B]
if (x < 0 || x > 1) {jump to label %C
} else {jump to labels[x]
}

这只是一个极其粗糙的近似的实现，我们需要的是理解其基本思想。跳转表的思想就是利用内存中数组的索引是O(1)复杂度的，所以我们可以根据目前的x值去查找应该跳转到哪一个地址，这就是跳转表的基本思想。

根据目标平台和switch语句的分支数，LLVM后端会自动选择不同的实现方式去实现switch语句。

select

我们经常会遇到一种情况，某一变量的值需要根据条件进行赋值，比如说以下C语言的函数：

void foo(int x) {int y;if (x > 0) {y = 1;} else {y = 2;}// do something with y
}

如果x大于0，则y为1，否则y为2。这一情况很常见，然而在C语言中，如果要实现这种功能，y需要被实现为可变变量，但实际上无论x如何取值，y只会被赋值一次，并不应该是可变的。

我们知道，LLVM IR中，由于SSA的限制，局部可变变量都必须分配在栈上，虽然LLVM后端最终会进行一定的优化，但写起代码来还需要冗长的alloca, load, store等语句。如果我们按照C语言的思路来写LLVM IR，那么就会是：

define void @foo(i32 %x) {%y = alloca i32%1 = icmp sgt i32 %x, 0br i1 %1, label %btrue, label %bfalse
btrue:store i32 1, i32* %ybr label %end
bfalse:store i32 2, i32* %ybr label %end
end:; do something with %yret void
}

我们来看看其编译出的汇编语言是怎样的：

_foo:cmpl	$0, %edijle	LBB0_2
## %bb.1:                               ## %btruemovl	$1, -4(%rsp)jmp	LBB0_3
LBB0_2:                                 ## %bfalsemovl	$2, -4(%rsp)
LBB0_3:                                 ## %end# do something with -4(%rsp)retq

C语言代码9行，汇编语言代码11行，LLVM IR代码14行。这LLVM IR同时比低层次和高层次的代码都长，这显然是不可以接受的。究其原因，就是这里把y看成了可变变量。那么，有没有什么办法让y不可变但仍然能实现这个功能呢？

首先，我们来看看同样区分可变变量与不可变变量的Rust是怎么做的：

fn foo(x: i32) {let y = if x > 0 { 1 } else { 2 };// do something with y
}

让代码简短的方式很简单，把y看作不可变变量，但同时需要语言支持把if语句视作表达式，当x大于0时，这个表达式返回1，否则返回2。这样，就很简单地实现了我们的需求。

LLVM IR中同样也有这样的指令，那就是select，我们来把上面的例子用select改写：

define void @foo(i32 %x) {%result = icmp sgt i32 %x, 0%y = select i1 %result, i32 1, i32 2; do something with %y
}

select指令接受三个参数。第一个参数是用来判断的布尔值，也就是i1类型的icmp判断的结果，如果其为true，则返回第二个参数，否则返回第三个参数。极其合理。

phi

select只能支持两个选择，true选择一个分支，false选择另一个分支，我们是不是可以有支持多种选择的类似switch的版本呢？同时，我们也可以换个角度思考，select是根据i1的值来进行判断，我们其实可以根据控制流进行判断。这就是传说中的phi指令。

为了方便起见，我们首先先来看用phi指令实现的我们上面这个代码：

define void @foo(i32 %x) {%result = icmp sgt i32 %x, 0br i1 %result, label %btrue, label %bfalse
btrue:br label %end
bfalse:br label %end
end:%y = phi i32 [1, %btrue], [2, %bfalse]; do something with %yret void
}

我们看到，phi的第一个参数是一个类型，这个类型表示其返回类型为i32。接下来则是两个数组，其表示，如果当前的basic block执行的时候，前一个basic block是%btrue，那么返回1，如果前一个basic block是%bfalse，那么返回2。也就是说，select是根据其第一个参数i1类型的变量的值来决定返回哪个值，而phi则是根据其之前是哪个basic block来决定其返回值。此外，phi之后可以跟无数的分支，如phi i32 [1, %a], [2, %b], [3, %c]等，从而可以支持多分支的赋值。

在哪可以看到我的文章

我的LLVM IR入门指南系列可以在我的个人博客、GitHub：Evian-Zhang/llvm-ir-tutorial、知乎、CSDN中查看，本教程中涉及的大部分代码也都在同一GitHub仓库中。

本人水平有限，写此文章仅希望与大家分享学习经验，文章中必有缺漏、错误之处，望方家不吝斧正，与大家共同学习，共同进步，谢谢大家！