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LLVM IR 入门: 使用 LLVM 编译到 WebAssembly

news 2026/3/27 8:17:06

LLVM 是一个强大的开源编译器基础设施, 或者说是一个通用的优化器和编译器后端. 有很多编程语言, 比如 rust, 编译器把高级语言源代码编译为 LLVM IR, 然后再通过 LLVM 编译成 CPU 可执行的二进制代码.

所以, 学习 LLVM, 特别是 LLVM IR (中间表示), 是学习编译器工作原理的重要内容.

WebAssembly 作为一种二进制格式, 可以方便的在浏览器中运行, 也可以在很多 js 环境 (v8, 比如 deno, node.js) 运行. 编译到 WebAssembly 降低了整体的难度, 因为不需要直接和操作系统交互.

这里是 (希望消除稀缺的) 穷人小水滴, 专注于穷人友好型低成本技术. (本文为 87 号作品. )

《小水滴系列文章目录 (整理)》 https://blog.csdn.net/secext2022/article/details/148834199
《流浪 Linux: 外置 USB SSD 安装 ArchLinux》 https://blog.csdn.net/secext2022/article/details/145413676
《在 VirtualBox 虚拟机中安装 Fedora CoreOS 操作系统》 https://blog.csdn.net/secext2022/article/details/151294108

参考资料:

https://mcyoung.xyz/2023/08/01/llvm-ir/
https://mapping-high-level-constructs-to-llvm-ir.readthedocs.io/en/latest/
https://llvm.org/docs/LangRef.html
https://developer.mozilla.org/en-US/docs/WebAssembly
https://webassembly.github.io/spec/core/syntax/types.html
https://www.compilersutra.com/docs/llvm/llvm_ir/intro_to_llvm_ir/
https://linuxcommandlibrary.com/man/llc
https://andrewsweeney.net/post/llvm-to-wasm/
https://deno.com/
https://clang.llvm.org/docs/AttributeReference.html#export-name-funcref

1 安装软件

首先, 安装 llvm, clang 等软件, 此处以 ArchLinux 操作系统举栗:

sudo pacman -S llvm clang wabt

验证安装:

> llc --version LLVM (http://llvm.org/): LLVM version 21.1.8 Optimized build. Default target: x86_64-pc-linux-gnu Host CPU: znver3 Registered Targets: aarch64 - AArch64 (little endian) aarch64_32 - AArch64 (little endian ILP32) aarch64_be - AArch64 (big endian) amdgcn - AMD GCN GPUs arm - ARM arm64 - ARM64 (little endian) arm64_32 - ARM64 (little endian ILP32) armeb - ARM (big endian) avr - Atmel AVR Microcontroller bpf - BPF (host endian) bpfeb - BPF (big endian) bpfel - BPF (little endian) hexagon - Hexagon lanai - Lanai loongarch32 - 32-bit LoongArch loongarch64 - 64-bit LoongArch mips - MIPS (32-bit big endian) mips64 - MIPS (64-bit big endian) mips64el - MIPS (64-bit little endian) mipsel - MIPS (32-bit little endian) msp430 - MSP430 [experimental] nvptx - NVIDIA PTX 32-bit nvptx64 - NVIDIA PTX 64-bit ppc32 - PowerPC 32 ppc32le - PowerPC 32 LE ppc64 - PowerPC 64 ppc64le - PowerPC 64 LE r600 - AMD GPUs HD2XXX-HD6XXX riscv32 - 32-bit RISC-V riscv64 - 64-bit RISC-V sparc - Sparc sparcel - Sparc LE sparcv9 - Sparc V9 spirv - SPIR-V Logical spirv32 - SPIR-V 32-bit spirv64 - SPIR-V 64-bit systemz - SystemZ thumb - Thumb thumbeb - Thumb (big endian) ve - VE wasm32 - WebAssembly 32-bit wasm64 - WebAssembly 64-bit x86 - 32-bit X86: Pentium-Pro and above x86-64 - 64-bit X86: EM64T and AMD64 xcore - XCore > clang --version clang version 21.1.8 Target: x86_64-pc-linux-gnu Thread model: posix InstalledDir: /usr/bin

2 编写 LLVM IR (.ll)

LLVM IR(中间表示) 可以看成是一种虚拟的高级汇编语言,
在这里有无限多个虚拟 CPU 寄存器.
关于 LLVM IR 的具体语法, 上面 “参考资料” 处已经给出了学习资料.

下面写一个简单的测试程序6.ll:

; 6.ll ; 这是注释 ; 全局静态 (只读) 数据 (常量), 用来存储要输出的字符串 @.str1 = private unnamed_addr constant [8 x i8] c"test 666", align 1 ; 声明外部函数 (API) ; 输出一个 i32 整数 declare void @print_i32(i32) nounwind ; 输出 utf8 字符串 (开始地址, 字节长度) declare void @print_utf8(ptr, i32) nounwind ; 这是一个可以被外部调用的导出函数 (主函数) define void @main() nounwind #0 { ; 输出 整数 call void @print_i32(i32 233) ; 输出 字符串 call void @print_utf8(ptr @.str1, i32 8) ret void } ; 标记 wasm 导出名称 attributes #0 = { "wasm-export-name"="main" }

3 编译到 WebAssembly

将上面的 LLVM IR (6.ll) 使用llc编译为 WebAssembly 二进制 (wasm):

llc 6.ll -mtriple=wasm32 -filetype=obj -O3 -o 6.wasm

生成的文件:

> ls -l 6.wasm -rw-r--r-- 1 s2 s2 429 2月16日 20:24 6.wasm

以文本格式查看编译结果 (WAT):

> wasm2wat 6.wasm (module (type (;0;) (func)) (type (;1;) (func (param i32))) (type (;2;) (func (param i32 i32))) (import "env" "__linear_memory" (memory (;0;) 1)) (import "env" "print_i32" (func (;0;) (type 1))) (import "env" "print_utf8" (func (;1;) (type 2))) (func $main (type 0) i32.const 233 call 0 i32.const 0 i32.const 8 call 1) (export "main" (func $main)) (data $.L.str1 (i32.const 0) "test 666"))

4 测试运行

我们写一个 Deno (js) 程序, 来加载运行这个 wasm 模块:test.js

// test.js//// deno run --allow-read test.js 6.wasm// 命令行参数const[f_wasm]=Deno.args;console.log("加载",f_wasm);// 读取 wasm 二进制constb=awaitDeno.readFile(f_wasm);// 编译 wasm 模块constm=awaitWebAssembly.compile(b);// 生成导入数据function导入(){// 运行内存const__linear_memory=newWebAssembly.Memory({initial:1024});// 导入函数functionprint_i32(值){console.log("print_i32",值);}functionprint_utf8(偏移,长度){// 读取二进制数据constb=newUint8Array(__linear_memory.buffer,偏移,长度);// 字符串 utf8 解码consts=newTextDecoder("utf8").decode(b);console.log("print_utf8",s);}return{env:{__linear_memory,print_i32,print_utf8,},};}// 实例化模块consti=newWebAssembly.Instance(m,导入());// 调用导出函数i.exports.main();

运行:

> deno run --allow-read test.js 6.wasm 加载 6.wasm print_i32 233 print_utf8 test 666

成功 !

5 总结与展望

我们初步了解了现代编译器的工作原理: 把源代码编译成 LLVM IR, 然后再通过 LLVM 编译成机器指令.
这样可以方便的支持多种指令集 (ISA) 的 CPU, 比如 x86, arm, risc-v 等.

在本文中, 我们手写了一个简单的 LLVM IR 程序, 通过 LLVM 编译成 WebAssembly, 并成功运行.

把这一套流程跑通之后, 继续深入的学习 LLVM 和编译器, 就更方便了.

附录 1 使用 clang 生成 LLVM IR

高级语言 (比如 C) 可以编译到 LLVM IR.
所以学习 LLVM IR 的另一种方式, 就是看成熟的编译器是怎么做的,
比如对照 C 代码和对应生成的 LLVM IR, 了解什么东西会编译成什么.

比如一个简单的程序222.c:

externvoidout(constchar*,int);__attribute__((export_name("main")))intmain(intargc,char**argv){out("test 666",8);return0;}

使用 clang 编译:

clang 222.c --target=wasm32 -O3 -nostdlib -S -emit-llvm -o 222.ll

然后生成的222.ll文件:

; ModuleID = '222.c' source_filename = "222.c" target datalayout = "e-m:e-p:32:32-p10:8:8-p20:8:8-i64:64-i128:128-n32:64-S128-ni:1:10:20" target triple = "wasm32" @.str = private unnamed_addr constant [9 x i8] c"test 666\00", align 1 @llvm.used = appending global [1 x ptr] [ptr @__main_argc_argv], section "llvm.metadata" ; Function Attrs: nounwind define hidden noundef i32 @__main_argc_argv(i32 %0, ptr readnone captures(none) %1) #0 { tail call void @out(ptr noundef nonnull @.str, i32 noundef 8) #2 ret i32 0 } declare void @out(ptr noundef, i32 noundef) local_unnamed_addr #1 attributes #0 = { nounwind "no-trapping-math"="true" "stack-protector-buffer-size"="8" "target-cpu"="generic" "target-features"="+bulk-memory,+bulk-memory-opt,+call-indirect-overlong,+multivalue,+mutable-globals,+nontrapping-fptoint,+reference-types,+sign-ext" "wasm-export-name"="main" } attributes #1 = { "no-trapping-math"="true" "stack-protector-buffer-size"="8" "target-cpu"="generic" "target-features"="+bulk-memory,+bulk-memory-opt,+call-indirect-overlong,+multivalue,+mutable-globals,+nontrapping-fptoint,+reference-types,+sign-ext" } attributes #2 = { nounwind } !llvm.module.flags = !{!0} !llvm.ident = !{!1} !0 = !{i32 1, !"wchar_size", i32 4} !1 = !{!"clang version 21.1.8"}

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