LLVM的总结

LLVM

写在前面的话：无意中看到的LLVM的作者Chris Lattner相关的介绍和故事，觉得很有意思就贴上来，如果不感兴趣，可以直接跳入下一章。

关于LLVM

如果你对LLVM的由来陌生，那么我们先来讲讲最近编程语言的新贵—swift。

2010 年的夏天，Chris Lattner 接到了一个不同寻常的任务：为 OS X 和 iOS 平台开发下一代新的编程语言。那时候乔布斯还在以带病之身掌控着庞大的苹果帝国，他是否参与了这个研发计划，我们不得而知，不过我想他至少应该知道此事，因为这个计划是高度机密的，只有极少数人知道，最初的执行者也只有一个人，那就是 Chris Lattner。

从 2010 年的 7 月起，克里斯（Chris）就开始了无休止的思考、设计、编程和调试，他用了近一年的时间实现了大部分基础语言结构，之后另一些语言专家加入进来持续改进。到了 2013 年，该项目成为了苹果开发工具组的重中之重，克里斯带领着他的团队逐步完成了一门全新语言的语法设计、编译器、运行时、框架、IDE 和文档等相关工作，并在 2014 年的 WWDC 大会上首次登台亮相便震惊了世界，这门语言的名字叫做：「Swift」。

根据克里斯个人博客（http://nondot.org/sabre/ ）对 Swift 的描述，这门语言几乎是他凭借一己之力完成的。这位著名的 70 后程序员同时还是 LLVM 项目的主要发起人与作者之一、Clang 编译器的作者，可以说 Swift 语言和克里斯之前的软件作品有着千丝万缕的联系。

关于作者

克里斯可以说是天才少年和好学生的代名词，他在 2000 年本科毕业之后，继续攻读计算机硕士和博士。但克里斯并不是宅男，学习之余他手捧「龙书」游历世界，成为德智体美劳全面发展的好学生。之后就是一篇又一篇的发表论文，硕士毕业论文即提出了一套完整的运行时编译思想，奠定了 LLVM 的发展基础，读博期间 LLVM 编译框架在他的领导下得到了长足的发展，已经可以基于 GCC 前端编译器的语义分析结果进行编译优化和代码生成，所以克里斯在 2005 年毕业的时候已经是业界知名的编译器专家了。

克里斯毕业的时候正是苹果为了编译器焦头烂额的时候，因为苹果之前的软件产品都依赖于整条 GCC 编译链，而开源界的这帮大爷并不买苹果的帐，他们不愿意专门为了苹果公司的要求优化和改进 GCC 代码，所以苹果一怒之下将编译器后端直接替换为 LLVM，并且把克里斯招入麾下。克里斯进入了苹果之后如鱼得水，不仅大幅度优化和改进 LLVM 以适应 Objective-C 的语法变革和性能要求，同时发起了 CLang 项目，旨在全面替换 GCC。这个目标目前已经实现了，从 OS X10.9 和 XCode 5 开始，LLVM+GCC 已经被替换成了 LLVM+Clang。

Swift 是克里斯在 LLVM 和 Clang 之后第三个伟大的项目！

代码生成（LLVM）

why

对于一个query，优化执行性能的最理想状态，就是创造一个应用，只支持这个query的数据格式，和查询类型。

举例来说，最理想的状态下，执行一下query的速度：

select count(*) from tbl where col like %XYZ%

和

grep -c "XYZ" tbl

是相同的。

考虑另一个query：select sum(col) from tbl。如果表只有一列，类型是int64，可以用一下代码执行：

int64_t sum=0;

int64_t* values = (int64_t*)buffer;

for (int i=0; i < num_rows; ++i) {

sum += values[i];

}

用以上两种方式执行query，通常比在通用的queryengine里执行要快的多（不考虑database使用索引等优化技术）。这主要是因为目前的queryengine存在以下的开销：

虚函数调用:

在不使用代码生成技术的情况下，表达式的求值过程中通常需要调用虚函数，例如eval。这主要取决于系统的实现，通常来说，总会有一群operator类，每一个operator类都会实现eval函数。在这种情况下，表达式计算本身的开销很小，而虚函数调用带来的开销通常就会比较大。

大量的switch case代码，需要对类型等进行判断:

尽管分支预测技术可以缓解这个问题，但是分支指令依然会降低执行pipeline的效率，以及影响指令级并行。

无法通过使用常量提高性能:

在Impala中，每一个tuple的的长度在编译时就已经计算好。例如col3在tuple中的offset时16。如果把这些常量写入代码中，则可以减少额外的内存访问的开销。

代码生成的目标就是，对每一个query，都使用和定制程序几乎相同的指令数，并得到相同的结果。避免因为支持更多的功能而导致的额外开销。

what

LLVM（Low Level Virtual Machine）是一组库，包含了编译器的building blocks。主要的模块包括：

ü  AST -> IR generation

ü  IR优化

ü  IR -> machine code generation

LLVM的IR和Java的byte code很类似。IR一种二进制语言，LLVM把IR当作其内部模块的输入和输出LLVM也提供更高级的code object（instruction object，function object），使得可以更方便的对IR进行编程。包括对函数进行inline，移除指令，用常量替代一个计算，等等。Impala用到了LLVM中的IR优化，以及IR生成机器码。

除了LLVM，还有其他的生成代码的方式，但LLVM的效果更好：

l  直接生成可以执行的机器码:

尽管这个过程速度很快，但是生成机器码很容易出错，也很复杂，尤其是当函数数量增加时。同时，这种方法也无法享受编译器优化带来的性能提升。

l  生成c++代码，编译，并动态加载:

这种方法生成的代码可以经过编译器优化，并且生成高级语言相对简单。但通常编译c++代码需要几秒的时间，是比较慢的。

how

在进行完语意分析后，impala为每一个独立的操作生成其kernal代码。在代码生成时，由于已经知道了数据的类型，数据的layout。所以生成的代码中，会对循环等进行很多的优化。

LLVM提供两种生成IR的机制。1）使用IrBuilder API；2）使用clang编译器。这两种方法Impala都用到了。

1. 使用IrBuilder生成IR
2. 加载已经编译好的IR，仅加载query需要的函数。
3. 把1和2的结果combine到一起。
4. 通过LLVM的优化器，对IR进行优化。
5. JIT compile，把优化后的IR编译成机器码。LLVM会把它以函数指针的形势返回。

示例：

select

l_returnflag,

l_linestatus,

sum(l_quantity),

sum(l_extendedprice),

sum(l_extendedprice * (1 - l_discount)),

sum(l_extendedprice * (1 - l_discount) * (1 + l_tax)),

avg(l_quantity),

avg(l_extendedprice),

avg(l_discount),

count(1)

from

tpch.lineitem

where

l_shipdate<='1998-09-02'

group by

l_returnflag,

l_linestatus

Impala会将这个query编译成一个算子树。对这个query来说，会有两个算子：scan算子，用于读取输入数据；聚合算子，计算sum和avg。

下图时执行结果对比：

对于两种不同的dataset，性能头提高了3倍。而代码生成消耗的时间大概为150s。代码生成消耗的时间和采用的优化选项有很大关系。可以在impala shell中，使用set命令查看优化选项。

下表是更详细的对比：

可以看到，采用代码生成可以减少一半的指令和一半的branch miss。

总结

我们在代码生生成上投入的精力已经得到了回报。随着我们继续的改进，我们期望得到更大的性能提升。列存储，更高效的编码方式，以及更大的缓存，这些技术会提高IO的性能。这时候，CPU的效率就将变得更加重要。

代码生成对于简单的query，带来的性能提升会更明显。对于query中带有复杂操作的，例如正则表达式，则性能提升会不那么显著。因为相对来说，正则表达本身的计算会占用更多时间。