了解内存分配的工作原理(LLVM）

Understanding how memory allocation works (LLVM)

本文关键字：LLVM 工作 内存 分配 了解      更新时间：2023-10-16

我（第一次）在玩具编译器方面取得了进展，并试图了解如何分配/构造LLVM结构类型。Kaleidoscope教程没有包括甚至没有提到这一点，我不知道我在LLVM源代码/测试中寻找什么来找到可能的例子。

所以我写了一个简单的C++示例，用clang丢弃了IR，试图理解它产生了什么，但老实说，我并没有完全遵循它。对我来说显而易见的是函数定义/声明、一些函数调用和一个memset调用，所以我得到了其中的一些部分，但对我来说还没有全部整合在一起。（附言：我对alloca指令文档的解释是，从中创建的任何东西在返回时都会被释放，所以我不能正确使用它，它本质上只用于局部变量？）

我所做的是：

alloc.cpp

struct Alloc {
  int age;
};
//Alloc allocCpy() {
//  return *new Alloc();
//}
Alloc *allocPtr() {
  return new Alloc();
}
int main() {
  Alloc *ptr = allocPtr();
//  ptr->name = "Courtney";
//  Alloc cpy = allocCpy();
//  cpy.name = "Robinson";
//  std::cout << ptr->name << std::endl;
//  std::cout << cpy.name << std::endl;
  return 0;
}

然后运行clang -S -emit-llvm alloc.cpp生成alloc.ll

; ModuleID = 'alloc.cpp'
target datalayout = "e-m:o-i64:64-f80:128-n8:16:32:64-S128"
target triple = "x86_64-apple-macosx10.11.0"
%struct.Alloc = type { i32 }
; Function Attrs: ssp uwtable
define %struct.Alloc* @_Z8allocPtrv() #0 {
entry:
  %call = call noalias i8* @_Znwm(i64 4) #3
  %0 = bitcast i8* %call to %struct.Alloc*
  %1 = bitcast %struct.Alloc* %0 to i8*
  call void @llvm.memset.p0i8.i64(i8* %1, i8 0, i64 4, i32 4, i1 false)
  ret %struct.Alloc* %0
}
; Function Attrs: nobuiltin
declare noalias i8* @_Znwm(i64) #1
; Function Attrs: nounwind
declare void @llvm.memset.p0i8.i64(i8* nocapture, i8, i64, i32, i1) #2
; Function Attrs: ssp uwtable
define i32 @main() #0 {
entry:
  %retval = alloca i32, align 4
  %ptr = alloca %struct.Alloc*, align 8
  store i32 0, i32* %retval
  %call = call %struct.Alloc* @_Z8allocPtrv()
  store %struct.Alloc* %call, %struct.Alloc** %ptr, align 8
  ret i32 0
}
attributes #0 = { ssp uwtable "disable-tail-calls"="false" "less-precise-fpmad"="false" "no-frame-pointer-elim"="true" "no-frame-pointer-elim-non-leaf" "no-infs-fp-math"="false" "no-nans-fp-math"="false" "stack-protector-buffer-size"="8" "target-cpu"="core2" "target-features"="+cx16,+sse,+sse2,+sse3,+ssse3" "unsafe-fp-math"="false" "use-soft-float"="false" }
attributes #1 = { nobuiltin "disable-tail-calls"="false" "less-precise-fpmad"="false" "no-frame-pointer-elim"="true" "no-frame-pointer-elim-non-leaf" "no-infs-fp-math"="false" "no-nans-fp-math"="false" "stack-protector-buffer-size"="8" "target-cpu"="core2" "target-features"="+cx16,+sse,+sse2,+sse3,+ssse3" "unsafe-fp-math"="false" "use-soft-float"="false" }
attributes #2 = { nounwind }
attributes #3 = { builtin }
!llvm.module.flags = !{!0}
!llvm.ident = !{!1}
!0 = !{i32 1, !"PIC Level", i32 2}
!1 = !{!"clang version 3.7.0 (tags/RELEASE_370/final)"}

有人能解释一下这个IR中发生了什么，以及它是如何映射回C++的吗？或者忽略这个特定的例子，我们应该如何为LLVM StructType分配堆内存，该LLVM StrctType超出了创建它的函数的寿命（如果你觉得很慷慨，以后如何释放内存）。

我评论的部分来自我最初的例子，但作为一个新手，IR的见解就更少了。。。

我对alloca指令文档的解释是，它是任何东西从中创建的在返回时被释放，所以我不能使用该权限，它本质上只针对局部变量？

是的。此外，目前关于LLVM IR的建议是，尽管alloca可以像您期望的那样工作，但优化是另一种情况。他们建议您立即在输入块中alloca所有本地人，即使您不允许用户访问它们，或者它们并不总是包含有意义的数据。

堆分配是库的一项功能。它不是LLVM或编译器的特性。当您使用new T()时，编译器只需调用operator new来获取内存，然后在那里构造T。这里面没有魔法。你在那里看到的大多数垃圾都是特定于C++-ABI的，而不是LLVM的任何要求。它最终降低为类似void* p = malloc(size); new(p) T();的东西。对于几乎所有类型的T，这几乎可以归结为p中的一系列存储或调用用户定义的函数。

您可以使用您选择的运行库中的内存分配函数。

试图了解如何分配/构造LLVM结构类型

LLVM类型的系统不包括构造的概念。这是源语言的概念。

就LLVM而言，结构只是一堆比特，所有内存位置或多或少都是相同的。如果你希望比特是一个特定的东西，那么把你想要的比特存储到那个位置。如果您想将位放在堆上，那么调用运行库堆分配函数并将位存储到该位置。

然而，请注意，垃圾收集是一个有点不同的故事，因为w.r.t.在堆栈上查找本地标记时会发生一些尴尬的事情。

为了记录在案，你将而不是深入了解Clang的LLVM IR。我已经做了几年了，这太疯狂了，你需要很长时间才能开始掌握，更不用说你不想知道的C++特定ABI细节了。你会在IRC频道的#llvm中得到更多的问题，或者在这里提出特定的问题，而不是试图进行反向工程。

我不建议查看Clang发射的未优化IR，因为它太冗长了。-O1使其可读性更强——这是-O1版本，其中注释了行（我还重新排序了两行，使其更可读）：

%struct.Alloc=类型｛i32｝；定义Alloc类型。定义noalias%struct.Alloc*@_Z8allocPtrv（）#0{%1=尾调用noalias i8*@_Znwj（i32 4）#2；调用_Znwj（4）。这将重新运行i8*%3=位转换i8*%1到i32*；将返回值强制转换为i32*（int*）存储i32 0，i32*%3，align 4。。。并将其内容清零%2=位转换i8*%1到%struct.Alloc*；将返回值强制转换为Alloc*ret%struct.Alloc*%2。。。并将其退回}；声明_Znwj函数。这不需要定义，因为它已经定义了；在libstdc++中：这是"operator new"。您可以通过将此字符串传递给；C++解映射器，例如http://demangler.com/.声明noalias i8*@_Znwj（i32）#1定义i32@main（）#0{%1=尾部调用%struct.Alloc*@_Z8allocPtrv（）；调用_Z8allocPtrv（如上定义）ret i32 0}

这是一个new调用，而不是本地分配，因此在离开@_Z8allocPtrv时不会清除。本地分配实际上是用alloca指令在LLVM IR中执行的，而不是new调用。

如果您想知道new是如何工作的，我相信它的标准实现使用malloc，它由编译库的编译器转换为包含系统调用的函数。

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