shecc ：自託管與教育性 C 最佳化編譯器

標誌圖像

介紹

shecc是從頭開始建構的，針對 32 位元 Arm 和 RISC-V 架構，作為 C 語言子集的自編譯編譯器。儘管其本質很簡單，但它能夠作為獨立的最佳化編譯器執行基本的最佳化策略。

特徵

為 ARMv7-A 和 RV32IM 產生可執行的 Linux ELF 二進位。
為 GNU/Linux 上的基本 I/O 提供最小的 C 標準函式庫。
交叉編譯器是用 ANSI C 編寫的，使其與大多數平台相容。
包括一個帶有集成機器代碼生成器的獨立 C 前端；不需要外部彙編器或連結器。
利用兩遍編譯過程：第一遍檢查語法並將複雜語句分解為基本操作，而第二遍將這些操作轉換為 Arm/RISC-V 機器碼。
開發與 RISC 風格架構相容的寄存器分配系統。
實作獨立於體系結構、基於靜態單分配 (SSA) 的中端以增強最佳化。

相容性

shecc能夠編譯用以下語法編寫的 C 原始檔：

資料型態：char、int、struct 和指針
條件語句：if、while、for、switch、case、break、return 和通用表達式
複合賦值： += 、 -= 、 *=
支援的資料類型的全域/局部變數初始化
- 例如int i = [expr]
對預處理器指令的有限支援： #define 、 #ifdef 、 #elif 、 #endif 、 #undef和#error
具有__VA_ARGS__標識符的非巢狀可變參數宏

後端以Linux ABI的armv7hf為目標，在Raspberry Pi 3上進行了驗證，並且還支援RISC-V 32位元架構，並透過QEMU進行了驗證。

自舉

驗證shecc引導的步驟：

stage0 ： shecc原始碼最初使用普通編譯器編譯，生成本機可執行檔。產生的編譯器可以用作交叉編譯器。
stage1 ：建置的二進位檔案讀取自己的原始程式碼作為輸入並產生 ARMv7-A/RV32IM 二進位檔案。
stage2 ：生成的 ARMv7-A/RV32IM 二進位檔案被呼叫（透過 QEMU 或在 Arm 和 RISC-V 裝置上運行），以其自己的原始程式碼作為輸入，並產生另一個 ARMv7-A/RV32IM 二進位檔案。
bootstrap ：建構stage1和stage2編譯器，並驗證它們在位元組方面是否相同。如果是這樣， shecc可以編譯自己的原始程式碼並產生相同程式的新版本。

先決條件

shecc中的程式碼產生器不依賴外部實用程式。您只需要普通的 C 編譯器，例如gcc和clang 。但是， shecc會自行引導，並且需要 Arm/RISC-V ISA 仿真。在 GNU/Linux 上安裝用於 Arm/RISC-V 使用者模擬的 QEMU：

$ sudo apt-get install qemu-user

仍然可以在 macOS 或 Microsoft Windows 上建立shecc 。但是，由於qemu-arm缺失，第二階段引導將會失敗。

若要執行快照測試，請安裝下列軟體包：

$ sudo apt-get install graphviz jq

建置並驗證

配置你想要的後端， shecc支援ARMv7-A和RV32IM後端：

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

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

運行make你應該看到這樣的內容：

  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

檔案out/shecc是第一階段編譯器。其用法：

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

編譯器選項：

-o ：指定輸出檔名（預設： out.elf ）
+m ：使用硬體乘法/除法指令（預設值：停用）
--no-libc ：排除嵌入式 C 函式庫（預設值：嵌入式）
--dump-ir : 轉儲中間表示 (IR)

例子：

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

透過在呼叫make時指定check-snapshots目標來驗證發出的 IR 是否與快照相同：

$ make check-snapshots

shecc帶有單元測試。若要執行測試，請將check作為參數：

$ make check

參考輸出：

 ...
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

要清理產生的編譯器文件，請執行命令make clean 。若要重設架構配置，請使用指令make distclean 。

中級表示

將選項--dump-ir傳遞給shecc後，將產生中間表示（IR）。以檔案tests/fib.c為例。它由遞歸斐波那契序列函數組成。

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

執行以下命令產生 IR：

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

C 原始碼和 IR 之間的逐行解釋：

 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"
}                   }