2024硬件科技协会LLVM第二次考核题解

1.关于转换LLVM IR

（1）关于C++源代码样例

cpp 复制代码

#include <iostream>

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

（2）Clang解析为AST（抽象语法树）

Clang会对源代码进行词法分析和语法分析，构建出AST。

大致的AST结构（以简化形式表示）如下：

TranslationUnitDecl (代表整个翻译单元)
    - FunctionDecl (add函数声明)
        - ParmVarDecl (参数a)
        - ParmVarDecl (参数b)
        - CompoundStmt (函数体复合语句)
            - ReturnStmt (返回语句)
                - BinaryOperator (加法操作符，代表a + b)

（3）生成LLVM IR

llvm 复制代码

; ModuleID = 'example.cpp'
source_filename = "example.cpp"
target datalayout = "e-m:e-p270:32:32-p271:32:32-p272:64:64-i64:64-f80:128-n8:16:32:64-S128"
target triple = "x86_64-pc-linux-gnu"

define i32 @add(i32 %a, i32 %b) {
entry:
  %addtmp = add i32 %a, %b
  ret i32 %addtmp
}

使用 Clang 命令进行转换

在命令行中执行以下命令：

bash 复制代码

clang++ -S -emit-llvm hello.cpp -o hello.ll
clang++：这是用于编译 C++ 代码的前端命令。
-S：表示生成汇编代码（实际上在这里会生成 LLVM IR 形式的中间表示，类似于汇编但更抽象）。
-emit-llvm：指定要生成 LLVM 相关的中间表示。
hello.cpp：是输入的 C++ 源代码文件名。
-o hello.ll：表示输出的 LLVM IR 文件名为hello.ll。

2. 过程中可能出现的问题及解决办法

（1）语法错误

问题描述 ：源代码中存在语法错误，Clang在解析为AST时就会失败。例如，少写了一个分号、括号不匹配等。
解决办法：仔细检查源代码中的语法错误，根据Clang给出的错误提示进行修改。错误提示通常会指出错误所在的行号和大致原因。

（2）无法找到头文件

问题描述 ：当代码中包含头文件（<iostream>）但编译器无法找到其路径时，会导致解析错误。
解决办法 ：确保系统的头文件路径已正确配置。对于自定义头文件，需要在编译命令中使用-I选项指定头文件的搜索路径。如果自定义头文件在/path/to/headers目录下，编译命令应添加-I /path/to/headers。

（3）类型不匹配或未定义类型

问题描述：如果使用了未定义的类型或者存在类型不兼容的操作，Clang在构建AST和生成LLVM IR时会报错。比如，将一个不相关类型的值赋给另一个类型的变量。
解决办法：检查代码中的类型定义和使用，确保类型的正确性和兼容性。如果是自定义类型，确认其定义是否完整且正确。

（4）命名空间问题

问题描述 ：在C++中，命名空间使用不当可能导致解析问题。例如，忘记使用using namespace或者使用了错误的命名空间。
解决办法 ：正确管理命名空间，确保使用的名称在正确的命名空间范围内。如果需要使用特定命名空间中的名称，可以使用using namespace指令或者显式指定命名空间（如std::cout）。

（5）宏定义问题

问题描述：如果代码中使用了宏定义，且宏定义存在问题（如宏展开后导致语法错误、重复定义等），会影响解析过程。
解决办法 ：检查宏定义的正确性，确保宏展开后的代码是合法的。可以通过查看预处理后的代码（使用clang -E source.cpp命令）来检查宏展开的结果，帮助发现问题。

以下为我针对转换阶段所写的表格描述，方便整理和后续上传。

阶段	描述
源代码	包含C++代码的文本文件，如`example.cpp`
Clang解析	Clang对源代码进行词法分析、语法分析，构建出AST。在此过程中，会检查语法、类型等是否正确，若有问题则报错。
AST	以树状结构表示源代码的语法结构，节点代表各种语法元素（如函数、变量、表达式等）。
LLVM IR生成	基于AST，LLVM将其转换为LLVM IR，这是一种中间表示形式，包含函数定义、基本块、指令等结构，描述了程序的计算过程。

3.力扣P161 题解及转换

c 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

bool isOneEditDistance(char* s, char* t) {
    int m = strlen(s);
    int n = strlen(t);

    // 确保s比t短或等长
    if (m > n) {
        return isOneEditDistance(t, s);
    }

    // 如果长度差大于1，直接返回false
    if (n - m > 1) {
        return false;
    }

    int i = 0, j = 0, diff = 0;
    while (i < m && j < n) {
        if (s[i]!= t[j]) {
            if (diff) {
                return false;
            }
            diff = 1;
            if (m == n) {
                i++;
            }
        } else {
            i++;
        }
        j++;
    }

    // 如果已经遍历完s，且t还有剩余字符，且之前没有编辑操作，则说明只相差一个插入操作
    if (i == m && j < n && diff == 0) {
        return true;
    }

    // 如果已经遍历完s，且t还有剩余字符，且之前有一个编辑操作，则说明只相差一个替换操作
    return i == m && j == n && diff == 1;
}

使用 Clang 将 C 代码转换为 LLVM IR（命令行操作）

在安装了 LLVM 和 Clang 的环境中，在命令行执行以下命令（根目录下有one_edit_distance.c）：

bash 复制代码

clang -S -emit-llvm one_edit_distance.c -o one_edit_distance.ll

这将生成one_edit_distance.ll文件，其中包含了该 C 代码对应的 LLVM IR 表示。

lua 复制代码

; ModuleID = 'one_edit_distance.c'
source_filename = "one_edit_distance.c"
target datalayout = "e-m:e-p270:32:32-p271:32:32-p272:64:64-i64:64-f80:128-n8:16:32:64-S128"
target triple = "x86_64-pc-linux-gnu"

; 定义外部函数strlen
declare i32 @strlen(i8*)

; 定义函数isOneEditDistance
define zeroext i1 @isOneEditDistance(i8* %0, i8* %1) #0 {
  %3 = alloca i32, align 4
  %4 = alloca i32, align 4
  %5 = alloca i32, align 4
  %6 = alloca i32, align 4
  %7 = alloca i32, align 4
  %8 = alloca i1, align 1
  store i32 0, i32* %3, align 4
  store i32 0, i32* %4, align 4
  store i32 0, i32* %5, align 4
  store i32 0, i32* %6, align 4
  store i32 0, i32* %7, align 4
  store i1 false, i1* %8, align 1
  %9 = call i32 @strlen(i8* %0)
  store i32 %9, i32* %3, align 4
  %10 = call i32 @strlen(i8* %1)
  store i32 %10, i32* %4, align 4
  %11 = load i32, i32* %3, align 4
  %12 = load i32, i32* %4, align 4
  %13 = icmp sgt i32 %11, %12
  br i1 %13, label %14, label %15
; 这里开始是函数的不同分支，对应C代码中的逻辑判断和循环等操作
; 例如，%14标签对应C代码中s长度大于t长度时的处理逻辑
14:                                                ; preds = %2
  %15 = call i1 @isOneEditDistance(i8* %1, i8* %0)
  br label %16

; %15标签对应C代码中正常处理逻辑的开始部分
15:                                                ; preds = %2
  %16 = load i32, i32* %4, align 4
  %17 = load i32, i32* %3, align 4
  %18 = sub i32 %16, %17
  %19 = icmp sgt i32 %18, 1
  br i1 %19, label %20, label %21

将力扣P161的C代码转换为LLVM IR后，我们可以得出：

通过分析LLVM IR，可以清晰地看到变量之间的数据依赖关系。在判断两个字符串是否仅相差一个编辑操作的代码中，可以确定哪些变量在不同的操作步骤中相互影响。如果发现某个变量在一个很长的计算链中被多次使用且没有中间结果缓存，可能就存在优化空间。LLVM IR以基本块（basic block）为单位表示控制流，能够直观地展示函数中的分支结构（如if-else语句、循环等）。对于P161的代码，可以清楚地看到在比较字符串字符时的不同分支情况，以及循环的迭代条件和终止条件等。这有助于检查控制流的正确性，例如是否存在不可达代码、循环条件是否合理等问题。LLVM提供了一系列的优化pass，可以对生成的LLVM IR进行优化，而不依赖于特定的目标机器架构。常量折叠优化可以在编译时计算出常量表达式的值，减少运行时的计算。在P161的代码中，如如比较两个已知常量字符串的长度差，就可以通过常量折叠进行优化。死代码消除优化可以去除那些永远不会被执行到的代码，提高代码的简洁性和执行效率。如果在代码中有一些调试代码或者在特定条件下永远不会执行的分支，死代码消除可以将其删除。