#include <stdio.h>

int factorial(int n) {
    if (n <= 1) return 1;
    return n * factorial(n - 1);
}

int main() {
    int result = factorial(5);
    printf("5! = %d\n", result);
    return 0;
}

1단계: Clang으로 LLVM IR 생성

clang -O3 -emit-llvm hello.c -c -o hello.bc

-O3: 최대 최적화 수준 (인라이닝, 루프 언롤링 등)
-emit-llvm: C 코드를 기계어 대신 LLVM IR로 변환
-c: 컴파일만 하고 링크는 안 함
-o hello.bc: 출력 파일 (비트코드 형식)

생성된 파일:

hello.bc: LLVM 비트코드 (바이너리 형식)

비트코드를 사람이 읽을 수 있는 형태로 보려면

llvm-dis hello.bc -o hello.ll

hello.ll 내용

; ModuleID = 'hello.bc'
source_filename = "hello.c"

define dso_local i32 @factorial(i32 %n) {
entry:
  %cmp = icmp slt i32 %n, 2
  br i1 %cmp, label %return, label %if.end

if.end:
  %sub = add nsw i32 %n, -1
  %call = tail call i32 @factorial(i32 %sub)
  %mul = mul nsw i32 %call, %n
  ret i32 %mul

return:
  ret i32 1
}

define dso_local i32 @main() {
entry:
  %call = tail call i32 @factorial(i32 5)
  %call1 = tail call i32 (i8*, ...) @printf(
    i8* getelementptr inbounds ([9 x i8], [9 x i8]* @.str, i64 0, i64 0), 
    i32 %call)
  ret i32 0
}

LLVM IR 특징

SSA (Static Single Assignment) 형식
타입 명시적: i32 (32비트 정수), i8* (char 포인터)
플랫폼 독립적: x86, ARM, MIPS 어디서나 실행 가능

2단계: opt로 LLVM IR 최적화

opt -O3 hello.bc -o hello-opt.bc

opt의 역할

이미 -O3로 컴파일했지만, 추가 최적화 패스 적용
플랫폼 독립적인 최적화 수행

적용되는 최적화 예시

재귀 → 루프 변환 (tail recursion elimination)
상수 폴딩: factorial(5) → 컴파일 타임에 120 계산
데드 코드 제거
함수 인라이닝

최적화 전후 비교

# 최적화 과정을 보고 싶다면
opt -O3 -print-before-all -print-after-all hello.bc -o hello-opt.bc 2>&1 | less

최적화된 IR을 보면

llvm-dis hello-opt.bc -o hello-opt.ll

hello-opt.ll (최적화 후)

define dso_local i32 @main() {
entry:
  ; factorial(5)가 컴파일 타임에 계산됨!
  %call = tail call i32 (i8*, ...) @printf(
    i8* getelementptr inbounds ([9 x i8], [9 x i8]* @.str, i64 0, i64 0), 
    i32 120)  ; <-- 120으로 상수화됨
  ret i32 0
}

; factorial 함수가 인라인되고 완전히 제거될 수 있음

3단계: llc로 네이티브 어셈블리 생성

llc hello-opt.bc -o hello.s

llc의 역할:

LLVM IR → 타겟 아키텍처의 어셈블리 코드 생성
레지스터 할당
명령어 스케줄링
플랫폼별 최적화

생성된 hello.s (x86-64)

.text
	.globl	main
	.type	main,@function
main:
	pushq	%rbp
	movq	%rsp, %rbp
	
	# printf 호출 준비
	movl	$.L.str, %edi     # 첫 번째 인자: 포맷 스트링
	movl	$120, %esi        # 두 번째 인자: 120 (factorial 결과)
	xorl	%eax, %eax
	callq	printf
	
	xorl	%eax, %eax        # return 0
	popq	%rbp
	retq

.L.str:
	.asciz	"5! = %d\n"

다른 아키텍처로 생성하기

# MIPS 어셈블리 생성
llc -march=mips -mcpu=mips32r2 hello-opt.bc -o hello-mips.s

# ARM 어셈블리 생성
llc -march=arm hello-opt.bc -o hello-arm.s

# 어셈블리 대신 오브젝트 파일 직접 생성
llc -filetype=obj hello-opt.bc -o hello.o

최종 링크 및 실행

# 어셈블리를 오브젝트 파일로 어셈블
as hello.s -o hello.o

# 링크하여 실행 파일 생성
ld hello.o -lc -dynamic-linker /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 -o hello

# 또는 clang으로 한 번에
clang hello.s -o hello

# 실행
./hello
# 출력: 5! = 120

전체 과정 비교

일반적인 컴파일 (한 번에)

clang -O3 hello.c -o hello

내부적으로는 같은 과정을 거치지만, 중간 단계가 숨겨짐

LLVM 툴체인 (단계별)

# C → LLVM IR
clang -O3 -emit-llvm hello.c -c -o hello.bc

# LLVM IR 최적화
opt -O3 hello.bc -o hello-opt.bc

# LLVM IR → 어셈블리
llc hello-opt.bc -o hello.s

# 어셈블리 → 실행 파일
clang hello.s -o hello

Writing an LLVM Analysis (part 2)

https://www.youtube.com/watch?v=v82DmHqmXMA&list=PLDSTpI7ZVmVnvqtebWnnI8YeB8bJoGOyv&index=8

References

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LLVM #0 LLVM 구조와 동작원리

Writing an LLVM Analysis (part 2)

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