LLVM

LLVM هي مجموعة من تقنيات المترجمات وسلاسل الأدوات ^{[ 5 ]} التي يمكن استخدامها لتطوير واجهة أمامية لأي لغة برمجة وواجهة خلفية لأي بنية مجموعة تعليمات . صُممت LLVM حول تمثيل وسيط مستقل عن اللغة (IR) يعمل كلغة تجميع عالية المستوى قابلة للنقل ، ويمكن تحسينها من خلال مجموعة متنوعة من التحويلات عبر مراحل متعددة. ^{[ 6 ]} كان اسم LLVM في الأصل اختصارًا لـ Low Level Virtual Machine (الآلة الافتراضية منخفضة المستوى). ومع ذلك، توسع المشروع منذ ذلك الحين، ولم يعد الاسم اختصارًا بل اختصارًا مستقلًا . ^{[ 7 ]}

تمت كتابة LLVM بلغة C++ وهي مصممة لتحسين وقت الترجمة ووقت الربط ووقت التشغيل . تم تنفيذ LLVM في الأصل للغتين C و C++، ومنذ ذلك الحين، أدى تصميمه غير المرتبط بلغة معينة إلى ظهور مجموعة واسعة من واجهات المستخدم الأمامية: تشمل اللغات التي تستخدم مُجمِّعات LLVM (أو التي لا تستخدم LLVM بشكل مباشر ولكنها قادرة على توليد برامج مُجمَّعة بصيغة LLVM IR) ما يلي: ^{ActionScript ،} و ^{Ada ، و C} # لـ ^.NET ، و ^Common Lisp ، و Crystal ^، و CUDA ^{، و D ،} و Delphi ، و Dylan ^، و ^{Forth ،} و Fortran ^، و FreeBASIC ، و ^Free Pascal ^، و ^{Halide ،} و Haskell ^، و Idris ، و ^Jai ( فقط ^{لإصدارات البرامج} المُحسَّنة)، و ^{Java bytecode} ، و Julia ، و ^Kotlin ، ولغة G ^{الخاصة بـ} LabVIEW ^، و ^Objective - ^C ، OpenCL ، ^{[ 19 ]} Odin ، ^{[ 20 ]} PicoLisp ، SQL و PL/pgSQL الخاصة بـ PostgreSQL ، ^{[ 21 ]} Ruby ، ^{​​[ 22 ]} Rust ، ^{[ 23 ]} Scala ، ^{[ 24 ] [ 25 ]} Standard ML ، ^{[ 26 ]} Swift ، Wolfram Language ، ^{[ 27 ]} Xojo ، و Zig .

بدأ مشروع LLVM في عام 2000 بجامعة إلينوي في أوربانا-شامبين ، تحت إشراف فيكرام أدفي وكريس لاتنر . طُوّر LLVM في الأصل كبنية تحتية بحثية لدراسة تقنيات الترجمة الديناميكية للغات البرمجة الثابتة والديناميكية . صدر LLVM بموجب ترخيص المصادر المفتوحة لجامعة إلينوي/المركز الوطني للحوسبة الفائقة (NCSA) ، ^{[ 3 ]} وهو ترخيص برمجيات حرة متساهل . في عام 2005، وظّفت شركة آبل لاتنر وشكّلت فريقًا للعمل على نظام LLVM لاستخدامات متنوعة ضمن أنظمة تطوير آبل. ^{[ 28 ]} أصبح LLVM جزءًا لا يتجزأ من أدوات تطوير Xcode من آبل لأنظمة macOS و iOS منذ إصدار Xcode 4 في عام 2011. ^{[ 29 ]}

في عام 2006، بدأ لاتنر العمل على مشروع جديد يُدعى كلانغ . ويُطلق على مزيج واجهة كلانغ الأمامية وواجهة LLVM الخلفية اسم كلانغ/LLVM أو ببساطة كلانغ.

كان اسم LLVM في الأصل اختصارًا لعبارة Low Level Virtual Machine (الآلة الافتراضية منخفضة المستوى) . إلا أن مشروع LLVM تطور ليصبح مشروعًا شاملًا لا يرتبط كثيرًا بما يعتبره معظم المطورين الحاليين آلة افتراضية . وقد جعل هذا الاختصار "مُربكًا" و"غير مناسب"، ومنذ عام 2011، لم يعد LLVM "اختصارًا رسميًا" ^{[ 30 ]} ، بل أصبح علامة تجارية تُطلق على مشروع LLVM الشامل. ^{[ 31 ]} يشمل المشروع تمثيل LLVM الوسيط (IR)، ومصحح أخطاء LLVM ، وتطبيق LLVM لمكتبة C++ القياسية (مع دعم كامل لـ C++11 و C++14 ^{[ 32 ]} )، وغير ذلك. تُدير مؤسسة LLVM مشروع LLVM. تولت مهندسة المترجمات تانيا لاتنر رئاسة المؤسسة عام 2014 ^{[ 33 ]} ، وظلت رئيسة ومديرة تنفيذية لها حتى يوليو 2026. [ ^{34 ]​}

"لتصميم وتنفيذ LLVM" ، منحت جمعية آلات الحوسبة فيكرام أدفي، وكريس لاتنر، وإيفان تشينغ جائزة نظام البرمجيات لعام 2012. ^{[ 35 ]}

كان المشروع متاحًا في الأصل بموجب ترخيص جامعة إلينوي في أوربانا-شامبين . بعد إصدار النسخة 9.0.0 في عام 2019، ^{[ 36 ]} أعيد ترخيص LLVM إلى ترخيص أباتشي 2.0 مع استثناءات LLVM. ^{[ 3 ]} اعتبارًا من نوفمبر 2022 لم يتم تجديد ترخيص حوالي 400 مساهمة. ^{[ 37 ] [ 38 ]}

يُمكن لـ LLVM توفير الطبقات الوسطى لنظام مُترجم كامل، حيث يأخذ رمز التمثيل الوسيط (IR) من المُترجم ويُصدر رمز IR مُحسّن. يُمكن بعد ذلك تحويل رمز IR الجديد وربطه برمز لغة التجميع الخاص بالجهاز لمنصة مُستهدفة. يُمكن لـ LLVM قبول رمز IR من مجموعة أدوات GNU Compiler Collection (GCC) ، مما يسمح باستخدامه مع مجموعة واسعة من واجهات المُترجمات الأمامية الموجودة والمكتوبة لهذا المشروع. يُمكن أيضًا بناء LLVM باستخدام gcc بعد الإصدار 7.5. ^{[ 39 ]}

يمكن لـ LLVM أيضًا توليد رمز آلة قابل للنقل في وقت الترجمة أو وقت الربط أو حتى رمز آلة ثنائي في وقت التشغيل.

يدعم LLVM مجموعة تعليمات ونظام أنواع مستقلين عن اللغة . ^{[ 6 ]} تأتي كل تعليمة بصيغة إسناد ثابت أحادي (SSA)، ما يعني أن كل متغير (يُسمى سجلًا مُحدد النوع) يُسند إليه قيمة مرة واحدة ثم يُجمد. يُسهّل هذا تحليل التبعيات بين المتغيرات. يسمح LLVM بتجميع الشيفرة بشكل ثابت، كما هو الحال في نظام GCC التقليدي، أو تركها للتجميع المتأخر من لغة الوسيط (IR) إلى شيفرة الآلة عبر التجميع الفوري (JIT)، على غرار Java . يتكون نظام الأنواع من أنواع أساسية مثل الأعداد الصحيحة أو العشرية، وخمسة أنواع مشتقة : المؤشرات ، والمصفوفات ، والمتجهات ، والهياكل ، والدوال . يمكن تمثيل بنية نوع في لغة محددة بدمج هذه الأنواع الأساسية في LLVM. على سبيل المثال، يمكن تمثيل فئة في C++ بمزيج من الهياكل والدوال ومصفوفات مؤشرات الدوال .

يُمكن لمُترجم LLVM JIT تحسين الفروع الثابتة غير الضرورية في البرنامج أثناء التشغيل، مما يجعله مفيدًا للتقييم الجزئي في الحالات التي يحتوي فيها البرنامج على العديد من الخيارات، والتي يُمكن تحديد معظمها بسهولة على أنها غير ضرورية في بيئة مُحددة. تُستخدم هذه الميزة في مسار OpenGL لنظام التشغيل Mac OS X Leopard (الإصدار 10.5) لتوفير الدعم لميزات الأجهزة المفقودة. ^{[ 40 ]}

يمكن ترك كود الرسومات ضمن حزمة OpenGL في تمثيل وسيط، ثم تجميعه عند تشغيله على الجهاز المستهدف. في الأنظمة المزودة بوحدات معالجة رسومات عالية الأداء (GPUs)، يظل الكود الناتج بسيطًا، حيث يمرر التعليمات إلى وحدة معالجة الرسومات بأقل قدر من التغييرات. أما في الأنظمة المزودة بوحدات معالجة رسومات منخفضة الأداء، فيقوم LLVM بتجميع الإجراءات الاختيارية التي تعمل على وحدة المعالجة المركزية المحلية (CPU) لمحاكاة التعليمات التي لا تستطيع وحدة معالجة الرسومات تنفيذها داخليًا. وقد حسّن LLVM الأداء على الأجهزة منخفضة الأداء التي تستخدم شرائح Intel GMA . تم تطوير نظام مشابه ضمن Gallium3D LLVMpipe، وتم دمجه في واجهة GNOME للسماح بتشغيله دون تحميل برنامج تشغيل أجهزة ثلاثية الأبعاد مناسب. ^{[ 41 ]}

في عام 2011، تفوقت البرامج المُجمَّعة بواسطة GCC على تلك المُجمَّعة بواسطة LLVM بنسبة 10% في المتوسط. ^{[ 42 ] [ 43 ]} وفي عام 2013، أفادت شركة phoronix بأن LLVM قد لحقت بـ GCC، حيث قامت بتجميع ملفات ثنائية ذات أداء متقارب. ^{[ 44 ]}

أصبح مشروع LLVM مشروعًا شاملاً يحتوي على مكونات متعددة.

التمثيل الوسيط

جوهر LLVM هو التمثيل الوسيط (IR)، وهي لغة برمجة منخفضة المستوى تشبه لغة التجميع. IR عبارة عن مجموعة تعليمات حاسوبية مُصغّرة ذات كتابة قوية (RISC)، تُجرّد معظم تفاصيل البرنامج المستهدف. على سبيل المثال، يتم تجريد اصطلاح الاستدعاءcall من خلال تعليمات retذات وسائط صريحة. كذلك، بدلاً من مجموعة ثابتة من المسجلات، يستخدم IR مجموعة لا نهائية من المتغيرات المؤقتة على شكل %0، %1، إلخ. يدعم LLVM ثلاثة أشكال متكافئة من IR: صيغة تجميع قابلة للقراءة البشرية، ^{[ 51 ]} وصيغة في الذاكرة مناسبة للواجهات الأمامية، وصيغة رمز بت كثيف للتسلسل. مثال على برنامج "Hello, world!" بسيط بصيغة IR القابلة للقراءة البشرية:

@.str = ثابت داخلي [ 14 x i8 ] c "Hello, world\0A\00"declare i32 @printf ( ptr , ...)define i32 @main ( i32 %argc , ptr %argv ) nounwind { entry: %tmp1 = getelementptr [ 14 x i8 ], ptr @.str , i32 0 , i32 0 %tmp2 = call i32 ( ptr , ...) @printf ( ptr %tmp1 ) nounwind ret i32 0 }

بسبب تعدد الاتفاقيات المستخدمة والميزات التي توفرها الأهداف المختلفة، لا يستطيع LLVM إنتاج وسيط برمجي مستقل تمامًا عن الهدف وإعادة توجيهه دون الإخلال ببعض القواعد الراسخة. ويمكن إيجاد أمثلة على اعتمادية الهدف، تتجاوز ما هو مذكور صراحةً في الوثائق، في اقتراح عام 2011 لـ "wordcode"، وهو نسخة مستقلة تمامًا عن الهدف من وسيط LLVM البرمجي، مُخصصة للتوزيع عبر الإنترنت. ^{[ 52 ]} ومن الأمثلة العملية الأخرى PNaCl . ^{[ 53 ]}

يُقدّم مشروع LLVM أيضًا نوعًا آخر من التمثيل الوسيط يُسمى MLIR ^{[ 54 ]} ، والذي يُساعد في بناء بنية تحتية قابلة لإعادة الاستخدام والتوسيع للمُترجم من خلال استخدام بنية إضافية تُسمى Dialect ^{[ 55 ]} . ويُمكّن هذا من استخدام معلومات عالية المستوى حول بنية البرنامج في عملية التحسين، بما في ذلك الترجمة متعددة السطوح .

بسبب ترخيصها المتساهل، يُصدر العديد من الموردين نسخًا مُعدّلة خاصة بهم من LLVM. وهذا مُعترف به رسميًا في وثائق LLVM، التي تُشير إلى عدم استخدام أرقام الإصدارات في عمليات التحقق من الميزات لهذا السبب. ^{[ 68 ]} ومن بين هؤلاء الموردين:

• يعتمد برنامج AMD Optimizing C/C++ Compiler من AMD على LLVM و Clang و Flang.
• تحتفظ شركة Apple بنسخة مفتوحة المصدر من Xcode . ^{[ 69 ]}
• توفر شركة Arm عددًا من سلاسل الأدوات القائمة على LLVM، بما في ذلك Arm Compiler للأنظمة المدمجة الذي يستهدف تطوير الأنظمة الأساسية، وArm Compiler لنظام Linux الذي يستهدف سوق الحوسبة عالية الأداء.
• مشروع Flang ، وهو مشروع Fortran قيد التطوير اعتبارًا من عام 2022
• تعتمد شركة IBM تقنية LLVM في مترجمات لغات C/C++ و Fortran الخاصة بها . ^{[ 70 ]}
• اعتمدت شركة إنتل تقنية LLVM لمترجم Intel C++ من الجيل التالي . ^{[ 71 ]}
• يمتلك مختبر لوس ألاموس الوطني نسخةً معدلةً من نظام LLVM 8 للحوسبة المتوازية تُسمى "كيتسون". ^{[ 72 ]}
• تستخدم Nvidia نظام LLVM في تنفيذ مُجمِّع NVVM CUDA الخاص بها . ^{[ 73 ]} يختلف مُجمِّع NVVM عن الواجهة الخلفية "NVPTX" المذكورة في قسم الواجهات الخلفية ، على الرغم من أن كليهما يُولِّد رمز PTX لوحدات معالجة الرسومات من Nvidia.
• منذ عام 2013، تستخدم سوني مُجمِّع Clang الأساسي للواجهة الأمامية لـ LLVM في حزمة تطوير البرامج (SDK) الخاصة بجهاز PlayStation 4. ^{[ 74 ]}

• HHVM
• ج--
• مجموعة أدوات تجميع أمستردام (ACK)
• جنو لايتنينج
• نقي
• جمهورية الصين
• إمسكريبتن
• تنسيق توزيع تيندرا
• تنسيق التوزيع المحايد للهندسة المعمارية (ANDF)
• مقارنة برامج محاكاة التطبيقات
• SPIR-V

• كريس لاتنر - هندسة تطبيقات المصادر المفتوحة - الفصل 11 LLVM ، رقم ISBN 978-1257638017^{[ 1 ]} تم إصداره عام 2012 بموجب ترخيص CC BY 3.0 ( مفتوح الوصول ).
• LLVM: إطار عمل تجميعي لتحليل البرامج وتحويلها على مدار عمرها ، ورقة بحثية منشورة لكريس لاتنر وفيكرام أدفي

• الموقع الرسمي