shecc ：自托管和教育性 C 优化编译器

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介绍

shecc是从头开始构建的，针对 32 位 Arm 和 RISC-V 架构，作为 C 语言子集的自编译编译器。尽管其本质很简单，但它能够作为独立的优化编译器执行基本的优化策略。

特征

为 ARMv7-A 和 RV32IM 生成可执行的 Linux ELF 二进制文件。
为 GNU/Linux 上的基本 I/O 提供最小的 C 标准库。
交叉编译器是用 ANSI C 编写的，使其与大多数平台兼容。
包括一个带有集成机器代码生成器的独立 C 前端；不需要外部汇编器或链接器。
利用两遍编译过程：第一遍检查语法并将复杂语句分解为基本操作，而第二遍将这些操作转换为 Arm/RISC-V 机器代码。
开发与 RISC 风格架构兼容的寄存器分配系统。
实现独立于体系结构、基于静态单分配 (SSA) 的中端以增强优化。

兼容性

shecc能够编译用以下语法编写的 C 源文件：

数据类型：char、int、struct 和指针
条件语句：if、while、for、switch、case、break、return 和通用表达式
复合赋值： += 、 -= 、 *=
支持的数据类型的全局/局部变量初始化
- 例如int i = [expr]
对预处理器指令的有限支持： #define 、 #ifdef 、 #elif 、 #endif 、 #undef和#error
具有__VA_ARGS__标识符的非嵌套可变参数宏

后端以带有Linux ABI的armv7hf为目标，在Raspberry Pi 3上进行了验证，并且还支持RISC-V 32位架构，并通过QEMU进行了验证。

自举

验证shecc引导的步骤：

stage0 ： shecc源代码最初使用普通编译器编译，生成本机可执行文件。生成的编译器可以用作交叉编译器。
stage1 ：构建的二进制文件读取其自己的源代码作为输入并生成 ARMv7-A/RV32IM 二进制文件。
stage2 ：生成的 ARMv7-A/RV32IM 二进制文件被调用（通过 QEMU 或在 Arm 和 RISC-V 设备上运行），以其自己的源代码作为输入，并生成另一个 ARMv7-A/RV32IM 二进制文件。
bootstrap ：构建stage1和stage2编译器，并验证它们在字节方面是否相同。如果是这样， shecc可以编译自己的源代码并生成同一程序的新版本。

先决条件

shecc中的代码生成器不依赖于外部实用程序。您只需要普通的 C 编译器，例如gcc和clang 。但是， shecc会自行引导，并且需要 Arm/RISC-V ISA 仿真。在 GNU/Linux 上安装用于 Arm/RISC-V 用户模拟的 QEMU：

$ sudo apt-get install qemu-user

仍然可以在 macOS 或 Microsoft Windows 上构建shecc 。但是，由于qemu-arm缺失，第二阶段引导将失败。

要执行快照测试，请安装以下软件包：

$ sudo apt-get install graphviz jq

构建并验证

配置你想要的后端， shecc支持ARMv7-A和RV32IM后端：

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

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

运行make你应该看到这样的内容：

  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

文件out/shecc是第一阶段编译器。其用法：

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

编译器选项：

-o ：指定输出文件名（默认： out.elf ）
+m ：使用硬件乘法/除法指令（默认值：禁用）
--no-libc ：排除嵌入式 C 库（默认值：嵌入式）
--dump-ir : 转储中间表示 (IR)

例子：

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

通过在调用make时指定check-snapshots目标来验证发出的 IR 是否与快照相同：

$ make check-snapshots

shecc带有单元测试。要运行测试，请将check作为参数：

$ make check

参考输出：

 ...
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

要清理生成的编译器文件，请执行命令make clean 。要重置架构配置，请使用命令make distclean 。

中级表示

将选项--dump-ir传递给shecc后，将生成中间表示（IR）。以文件tests/fib.c为例。它由递归斐波那契序列函数组成。

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

执行以下命令生成 IR：

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

C 源代码和 IR 之间的逐行解释：

 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"
}                   }