shecc: 자체 호스팅 및 교육용 C 최적화 컴파일러

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소개

shecc C 언어 하위 집합에 대한 자체 컴파일 컴파일러로서 32비트 Arm 및 RISC-V 아키텍처를 모두 대상으로 처음부터 구축되었습니다. 단순한 특성에도 불구하고 독립형 최적화 컴파일러로서 기본 최적화 전략을 수행할 수 있습니다.

특징

ARMv7-A 및 RV32IM용 실행 가능한 Linux ELF 바이너리를 생성합니다.
GNU/Linux의 기본 I/O를 위한 최소 C 표준 라이브러리를 제공합니다.
크로스 컴파일러는 ANSI C로 작성되어 대부분의 플랫폼과 호환됩니다.
통합된 기계어 코드 생성기가 있는 독립형 C 프런트엔드를 포함합니다. 외부 어셈블러나 링커가 필요하지 않습니다.
2단계 컴파일 프로세스를 활용합니다. 첫 번째 단계에서는 구문을 확인하고 복잡한 명령문을 기본 작업으로 분류하고, 두 번째 단계에서는 이러한 작업을 Arm/RISC-V 기계어 코드로 변환합니다.
RISC 스타일 아키텍처와 호환되는 레지스터 할당 시스템을 개발합니다.
향상된 최적화를 위해 아키텍처 독립적인 정적 단일 할당(SSA) 기반 미들엔드를 구현합니다.

호환성

shecc 다음 구문으로 작성된 C 소스 파일을 컴파일할 수 있습니다.

데이터 유형: char, int, struct 및 포인터
조건문: if, while, for, switch, case, break, return 및 일반 표현식
복합 할당: += , -= , *=
지원되는 데이터 유형에 대한 전역/지역 변수 초기화
- 예를 들어 int i = [expr]
전처리기 지시문에 대한 제한된 지원: #define , #ifdef , #elif , #endif , #undef 및 #error
__VA_ARGS__ 식별자가 있는 중첩되지 않은 가변 매크로

백엔드는 Raspberry Pi 3에서 검증된 Linux ABI를 사용하여 armv7hf를 대상으로 하며 QEMU로 검증된 RISC-V 32비트 아키텍처도 지원합니다.

부트스트래핑

shecc 스트래핑을 검증하는 단계:

stage0 : shecc 소스 코드는 초기에 기본 실행 파일을 생성하는 일반 컴파일러를 사용하여 컴파일됩니다. 생성된 컴파일러는 크로스 컴파일러로 사용될 수 있습니다.
stage1 : 빌드된 바이너리는 자체 소스 코드를 입력으로 읽고 ARMv7-A/RV32IM 바이너리를 생성합니다.
stage2 : 생성된 ARMv7-A/RV32IM 바이너리는 자체 소스 코드를 입력으로 사용하여 QEMU를 통해 호출되거나 Arm 및 RISC-V 장치에서 실행되고 다른 ARMv7-A/RV32IM 바이너리를 생성합니다.
bootstrap : stage1 및 stage2 컴파일러를 빌드하고 바이트 단위로 동일한지 확인합니다. 그렇다면 shecc 자체 소스 코드를 컴파일하고 동일한 프로그램의 새 버전을 생성할 수 있습니다.

전제 조건

shecc 의 코드 생성기는 외부 유틸리티에 의존하지 않습니다. gcc 및 clang 과 같은 일반적인 C 컴파일러만 필요합니다. 그러나 shecc 자체적으로 부트스트랩하므로 Arm/RISC-V ISA 에뮬레이션이 필요합니다. GNU/Linux에서 Arm/RISC-V 사용자 에뮬레이션용 QEMU를 설치합니다.

$ sudo apt-get install qemu-user

macOS 또는 Microsoft Windows에서는 여전히 shecc 빌드할 수 있습니다. 그러나 qemu-arm 없기 때문에 두 번째 단계 부트스트래핑은 실패합니다.

스냅샷 테스트를 실행하려면 아래 패키지를 설치하세요.

$ sudo apt-get install graphviz jq

빌드 및 확인

원하는 백엔드를 구성하세요. shecc ARMv7-A 및 RV32IM 백엔드를 지원합니다.

 $ make config ARCH=arm
# Target machine code switch to Arm

$ make config ARCH=riscv
# Target machine code switch to RISC-V

make 실행하면 다음과 같은 내용이 표시됩니다.

  CC+LD	out/inliner
  GEN	out/libc.inc
  CC	out/src/main.o
  LD	out/shecc
  SHECC	out/shecc-stage1.elf
  SHECC	out/shecc-stage2.elf

File out/shecc 첫 번째 단계 컴파일러입니다. 사용법:

$ shecc [-o output] [+m] [--no-libc] [--dump-ir] < infile.c >

컴파일러 옵션:

-o : 출력 파일 이름을 지정합니다. (기본값: out.elf )
+m : 하드웨어 곱셈/나눗셈 명령어 사용(기본값: 비활성화됨)
--no-libc : 임베디드 C 라이브러리 제외(기본값: 임베디드)
--dump-ir : 중간 표현(IR) 덤프

예:

$ out/shecc -o fib tests/fib.c
$ chmod +x fib
$ qemu-arm fib

make 호출할 때 check-snapshots 대상을 지정하여 방출된 IR이 스냅샷과 동일한지 확인하십시오.

$ make check-snapshots

shecc 에는 단위 테스트가 제공됩니다. 테스트를 실행하려면 인수로 check 제공하십시오.

$ make check

참조 출력:

 ...
int main(int argc, int argv) { exit(sizeof(char)); } => 1
int main(int argc, int argv) { int a; a = 0; switch (3) { case 0: return 2; case 3: a = 10; break; case 1: return 0; } exit(a); } => 10
int main(int argc, int argv) { int a; a = 0; switch (3) { case 0: return 2; default: a = 10; break; } exit(a); } => 10
OK

생성된 컴파일러 파일을 정리하려면 make clean 명령을 실행합니다. 아키텍처 구성을 재설정하려면 make distclean 명령을 사용하세요.

중간 표현

--dump-ir 옵션이 shecc 에 전달되면 중간 표현(IR)이 생성됩니다. tests/fib.c 파일을 예로 들어 보겠습니다. 재귀적인 피보나치 수열 함수로 구성됩니다.

 int fib ( int n )
{
    if ( n == 0 )
        return 0 ;
    else if ( n == 1 )
        return 1 ;
    return fib ( n - 1 ) + fib ( n - 2 );
}

IR을 생성하려면 다음을 실행하십시오.

$ out/shecc --dump-ir -o fib tests/fib.c

C 소스와 IR 간의 한 줄씩 설명:

 C Source                IR                                         Explanation
-- -- -- -- -- -- -- -- -- + -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- - + -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --

int fib ( int n )      def int @ fib ( int % n )                    Indicate a function definition
{                   {
  if ( n == 0 )         const %. t1001 , $0                     Load constant 0 into a temporary variable ".t1001"
                      %. t1002 = eq % n , %. t1001              Test "n" equals ".t1001" or not , and write the result in temporary variable ".t1002"
                      br %. t1002 , . label . 1177 , . label . 1178  If ".t1002" equals zero , goto false label ".label.1178" , otherwise ,
                                                            goto true label ".label.1177"
                    . label . 1177
    return 0 ;         const %. t1003 , $0                     Load constant 0 into a temporary variable ".t1003"
                      ret %. t1003                           Return ".t1003"
                      j . label . 1184                         Jump to endif label ".label.1184"
                    . label . 1178
  else if ( n == 1 )    const %. t1004 , $1                     Load constant 1 into a temporary variable ".t1004"
                      %. t1005 = eq % n , %. t1004              Test "n" equals ".t1004" or not , and write the result in temporary variable ".t1005"
                      br %. t1005 , . label . 1183 , . label . 1184  If ".t1005" equals zero , goto false label ".label.1184" . Otherwise ,
                                                            goto true label ".label.1183"
                    . label . 1183
    return 1 ;         const %. t1006 , $1                     Load constant 1 into a temporary variable ".t1006"
                      ret %. t1006                           Return ".t1006"
                    . label . 1184
  return
    fib ( n - 1 )        const %. t1007 , $1                     Load constant 1 into a temporary variable ".t1007"
                      %. t1008 = sub % n , %. t1007             Subtract ".t1007" from "n" , and store the result in temporary variable ".t1008"
                      push %. t1008                          Prepare parameter for function call
                      call @ fib , 1                          Call function " fib " with one parameter
    +                 retval %. t1009                        Store return value in temporary variable ". t1009 "
    fib ( n - 2 );       const %. t1010 , $2                     Load constant 2 into a temporary variable ".t1010"
                      %. t1011 = sub % n , %. t1010             Subtract ".t1010" from "n" , and store the result in temporary variable ".t1011"
                      push %. t1011                          Prepare parameter for function call
                      call @ fib , 1                          Call function " fib " with one parameter
                      retval %. t1012                        Store return value in temporary variable ". t1012 "
                      %. t1013 = add %. t1009 , %. t1012        Add ". t1009 " and ". t1012 ", and store the result in temporary variable " . t1013 "
                      ret %. t1013                           Return ".t1013"
}                   }

알려진 문제

생성된 ELF에는 .bss 및 .rodata 섹션이 없습니다.
다양한 수의 함수 인수 지원이 불완전합니다. 사용할 수 없습니다. 또는 var_arg 에 대한 소스 lib/cc 에서 printf 구현을 확인하세요.
C 프런트엔드는 효과적인 AST가 없기 때문에 약간 지저분합니다.