Seminar LLVM Grundlagen: IR, Toolchain und Optimierung

Das Seminar vermittelt einen strukturierten Einstieg in LLVM als Compiler-Infrastruktur. Behandelt werden Projektkomponenten, LLVM IR, Optimierungsstufen, Codegenerierung, Clang-Anbindung und typische Werkzeuge für Analyse und Diagnose.

Zwei Tage sind angemessen, weil das Seminar einen belastbaren Überblick mit praktischer IR-Arbeit verbindet, ohne in Backend-Implementierung, MLIR-Entwicklung oder eigene Pass-Architektur einzusteigen.

Kapitel 1: Architektur und Toolchain-Landschaft

Inhaltsverzeichnis

• Projektkomponenten und Rollen
• Compiler-Pipeline vom Quelltext bis zum Objektcode
• Wichtige Kommandozeilenwerkzeuge

Schritt 1: Komponenten zuordnen

LLVM Core, Clang, LLD, LLDB, libc++ und MLIR werden anhand ihrer Aufgaben eingeordnet. Dadurch entsteht ein klares Modell, welche Komponente welche Phase einer Toolchain abdeckt.

Schritt 2: Pipeline nachzeichnen

Ein kleines Programm wird gedanklich durch Präprozessor, Frontend, IR-Erzeugung, Optimierung, Codegenerierung und Linken geführt. Die wichtigsten Artefakte werden benannt.

Schritt 3: Werkzeuge einsetzen

Typische Werkzeuge wie Compiler-Treiber, IR-Assembler, Disassembler und Optimierer werden in ihrer Aufgabe unterschieden. Der Fokus liegt auf reproduzierbaren Aufrufen und interpretierbaren Ausgaben.

Kapitel 2: LLVM IR lesen und verändern

Inhaltsverzeichnis

• Module, Funktionen, Basic Blocks und Instruktionen
• SSA-Form und Typmodell
• IR-Verifikation und einfache Transformationen

Schritt 1: IR-Struktur lesen

Ein IR-Modul wird in Funktionen, Basic Blocks und Instruktionen zerlegt. Kontrollfluss und Datenfluss werden getrennt betrachtet, damit Fehlinterpretationen vermieden werden.

Schritt 2: SSA-Prinzip anwenden

Definitionen und Verwendungen werden verfolgt. Phi-Knoten, Werte und Typen werden so eingeordnet, dass spätere Optimierungen nachvollziehbar bleiben.

Schritt 3: IR validieren

Eine kleine Änderung wird auf Konsistenz geprüft. Verifier-Meldungen werden gelesen und auf typische Ursachen wie falsche Typen oder ungültigen Kontrollfluss zurückgeführt.

Kapitel 3: Optimierung und Diagnose

Inhaltsverzeichnis

• Optimierungsstufen und Pipeline-Idee
• Analyse- und Transformationspässe
• Fehlersuche in Compiler-Ausgaben

Schritt 1: Optimierungsstufen vergleichen

Unterschiedliche Optimierungsgrade werden konzeptionell gegenübergestellt. Der Schwerpunkt liegt darauf, welche Arten von Transformationen zu erwarten sind.

Schritt 2: Pass-Wirkung beobachten

Einzelne Optimierungsschritte werden anhand kleiner IR-Beispiele eingeordnet. Analysepässe und Transformationspässe werden getrennt betrachtet.

Schritt 3: Diagnosemuster aufbauen

Compiler- und Optimierungsausgaben werden systematisch gelesen. Es wird festgelegt, welche Zwischenartefakte bei Build-, Performance- oder Codegen-Problemen zuerst geprüft werden.