Seminar LLVM Intensivseminar: Compiler-Entwicklung, Clang, MLIR, ORC JIT und Backends

Das Intensivseminar bündelt die fachlichen Kernthemen der weiteren LLVM-Seminare in einem zusammenhängenden Wochenformat. Es ersetzt keine mehrwöchige Spezialausbildung, schafft aber eine belastbare Gesamtperspektive auf Frontend, IR, Optimierung, JIT, MLIR, Toolchain-Betrieb und Backend-Strukturen.

Die maximale Dauer von fünf Tagen wird vollständig genutzt, weil die Themen technisch stark gekoppelt sind. Die Inhalte sind priorisiert: Grundlagen und IR bilden die Basis, danach folgen Tooling, Passes, JIT, MLIR, Toolchain Engineering und Backend-Einordnung.

Kapitel 1: Gesamtarchitektur und IR-Fundament

Inhaltsverzeichnis

• LLVM-Projektkomponenten
• IR-Struktur und SSA
• Optimierungspipelines

Schritt 1: Komponentenkarte erstellen

LLVM Core, Clang, LLD, LLDB, MLIR und Runtime-nahe Komponenten werden in einer Architekturkarte verortet. Verantwortlichkeiten und typische Schnittstellen werden klar getrennt.

Schritt 2: IR als gemeinsame Ebene nutzen

Ein Beispiel wird vom Quelltext zur LLVM IR verfolgt. Module, Funktionen, Basic Blocks, Instruktionen, Typen und Metadaten werden als Arbeitsmodell etabliert.

Schritt 3: Optimierung einordnen

Pass-Pipelines werden als Folge von Analysen und Transformationen betrachtet. Die Auswirkungen von Optimierungsstufen auf Debugbarkeit, Performance und Codegröße werden bewertet.

Kapitel 2: Clang Tooling und Pass-Entwicklung

Inhaltsverzeichnis

• AST-basierte Analyse
• New Pass Manager
• Tests und Diagnose

Schritt 1: Frontend-Informationen extrahieren

Clang-basierte Werkzeuge lesen AST-Strukturen, Typinformationen und Quellpositionen. Daraus entstehen Analyseergebnisse für Refactoring, Migration und Richtlinienprüfung.

Schritt 2: IR-Pass strukturieren

Ein einfacher Pass wird konzeptionell in Registrierung, Run-Methode, Analysezugriffe und Preserved Analyses gegliedert. Die Einbettung in Pipelines wird nachvollzogen.

Schritt 3: Qualität absichern

Frontend- und IR-nahe Prüfungen werden mit kleinen Testfällen abgesichert. Erwartete Ausgaben werden stabil formuliert, damit spätere LLVM-Änderungen nicht zu fragilen Tests führen.

Kapitel 3: JIT, MLIR und Toolchain-Betrieb

Inhaltsverzeichnis

• ORC JIT und Symbolauflösung
• MLIR-Dialekte und Lowering
• Build, Cross-Compilation und Sanitizer

Schritt 1: JIT-Architektur modellieren

Module, JIT-Dylibs, Symbolauflösung und Materialisierung werden als Laufzeitmodell betrachtet. Daraus entsteht ein Verständnis für REPLs, Plugins und dynamische Ausführung.

Schritt 2: MLIR-Pipeline skizzieren

Ein höherstufiger Dialekt wird schrittweise in niedrigere Repräsentationen überführt. Dialect Conversion, Pattern Rewriting und LLVM-IR-Übersetzung werden als zusammenhängende Kette eingeordnet.

Schritt 3: Toolchain reproduzierbar machen

Build-Varianten, Zielplattformen, Linker, LTO und Sanitizer werden als Betriebsaspekte einer LLVM-basierten Toolchain betrachtet. Der Fokus liegt auf nachvollziehbaren Artefakten und Diagnosepunkten.

Kapitel 4: Backend-Einordnung und Gesamtprojekt

Inhaltsverzeichnis

• Target-Beschreibung und TableGen
• Codegen-Pipeline
• Abschlussübung ohne Fazit

Schritt 1: Target-Modell verstehen

Register, Instruktionen, Subtargets und Calling Convention werden als zentrale Bausteine eines Backends eingeordnet. TableGen wird als deklarative Beschreibungsschicht genutzt.

Schritt 2: Codegen-Fehler lokalisieren

Fehlerbilder werden verschiedenen Pipeline-Abschnitten zugeordnet: IR, Legalization, Instruction Selection, Register Allocation, Assembler-Ausgabe oder Linken.

Schritt 3: Gesamtübung durchführen

Ein kleines Szenario kombiniert Quellcodeanalyse, IR-Prüfung, Optimierung, JIT-Ausführung und Toolchain-Diagnose. Die Arbeitsschritte werden dokumentiert und fachlich bewertet.