使用 LLVM 开发新语言 Kaleidoscope 教程

原文链接： 使用 LLVM 开发新语言 Kaleidoscope 教程

前言: 本系列是 My First Language Frontend with LLVM Tutorial 译文，诣在熟悉 LLVM 的开发流程，网上有一些翻译只有前三个部分，没有翻译全，并且都是四五年前的没有更新过。由于对于编译器的概念只停留在理论上，想从代码的角度深入理解一下编译器，希望通过这部分的练习可以帮助到我。利用国庆假期这几天，我会仔细阅读此系列文档及源码并尝试翻译和记录。

要求: 本教程只需要了解 C++ 语言知识，编译器的相关经验不是必需的。

本教程介绍了一种简单语言的实现，展示了它多么有趣和轻松。本文将帮助我们快速入门，运行并演示使用 LLVM 生成代码的具体示例。

本教程将开发一个简单的“Kaleidoscope”语言，并在连续几章中对其进行迭代构建，并展示如何逐步构建。这样一来，我们就可以涵盖一系列语言设计和 LLVM 特定思想，一路展示和解释其代码，并减少大量的细节分析。我们强烈建议动手复制修改并运行代码，以此加深对编译器实现的理解。

友情提示: 为了专注于专门讲授编译器技术和 LLVM，本教程没有展示软件工程原理的最佳实践。例如，代码普遍使用全局变量，不使用 visiters 设计模式等，而是使事情保持简单并专注于手头的编译器实现。

本教程分为以下十章，涵盖各个主题，你可以随意跳过从感兴趣的地方开始看：

• 第一章：Kaleidoscope 语言和 Lexer 这部分展示了我们要做的基本功能。词法分析器也是构建语言解析器的第一部分，我们使用了易于理解的简单 C++ 词法分析器。
• 第二章：实现解析器和 AST 有了词法分析器，我们可以讨论解析技术和基本 AST 构造。本章介绍了递归下降解析和运算符优先级解析。
• 第三章: 生成 LLVM 中间代码 IR 在准备好 AST 之后，我们将展示 LLVM 生成 IR 的简便性，并展示了一种将 LLVM 集成到项目中的简单方法。
• 第四章: 添加 JIT 和 Optimizer 支持 LLVM 的一大优点是它对 JIT 编译的支持，因此我们将深入探讨它，并展示添加 JIT 支持所需的三行内容。后面的章节介绍了如何生成.o 文件。
• 第五章: 扩展语言---控制流 随着基本语言的启动和运行，我们展示了如何通过控制流操作（“ if”语句和“ for”循环）进行扩展。这使我们有机会讨论 SSA 的构建和控制流程。
• 第六章: 扩展语言---用户定义运算符 本章扩展了语言，使用户可以定义任意一元和二进制运算符并具有相应的优先级。这使我们可以将很大一部分“语言”构建为库例程。
• 第七章: 扩展语言---可变变量 本章节讨论如何用赋值语句添加用户自定义地本地变量。有趣的是，构造 SSA 在 LLVM 是相当简单的，但是 LLVM 并不要求你的前端来构造 SSA 结构。
• 第八章: 编译为目标代码 本章介绍如何获取 LLVM IR 并将其编译为目标代码，就像静态编译器一样。
• 第九章: 增加调试信息 一种真正的语言需要支持调试器，因此我们添加了调试信息，该信息允许在 Kaleidoscope 函数中设置断点，输出参数变量和调用函数！
• 第十章: 总结和其他技巧 本章通过讨论扩展语言的方式来总结本系列，并包括指向“special topics”的信息的指针，例如添加垃圾收集支持、异常处理、调试和对“spaghetti stacks”的支持等。

在本教程结束时，我们将编写不超过 1000 行（除去注释和空行）代码。借助少量的代码，我们将为一个普通的语言构建一个功能齐全的小型编译器，其中包括手写词法分析器，解析器，AST，以及代码生成（包括静态编译和 JIT 编译）。这种扩展充分证明了 LLVM 的优势，并说明了为什么 LLVM 被众多语言设计人员和其他研究高性能代码生成的人所喜爱。

参考：My First Language Frontend with LLVM Tutorial