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Swift 编译器概述

相关源文件

本页面全面概述了 Swift 编译器的架构、关键组件和编译流程。它为理解 Swift 编译器如何将源代码转换为可执行二进制文件提供了基础指南。有关特定组件的更详细信息，请参阅其专用 wiki 页面，例如 类型系统 或 中间表示。

编译器架构

Swift 编译器遵循多阶段流水线架构，其中包含多个协同工作的关键组件来处理源代码。

来源：lib/Frontend/CompilerInvocation.cpp114-130 lib/Sema/ConstraintSystem.cpp114-148 lib/Parse/ParseDecl.cpp167-205

组件概览

  1. 前端工具：管理编译过程，处理命令行参数，并配置编译设置。

  2. 解析器：处理 Swift 源代码并构建抽象语法树 (AST)，代表程序结构。

  3. 类型检查器：执行语义分析、类型检查、推断和 AST 验证。

  4. SIL 生成器：从类型检查后的 AST 创建 Swift 中间语言 (SIL)，为优化做准备。

  5. IRGen：将 SIL 转换为 LLVM 中间表示 (IR)。

  6. LLVM 后端：使用 LLVM 基础架构优化 IR 并生成机器码。

  7. 支持系统:

    • Clang Importer：导入 C、C++ 和 Objective-C 声明
    • 模块加载器：从各种来源加载 Swift 模块

编译流程详解

Swift 编译器通过几个不同的阶段处理源代码

来源：lib/Parse/ParseDecl.cpp167-205 lib/Sema/TypeCheckDecl.cpp74-150 lib/Sema/CSGen.cpp45-77

每个阶段都会执行特定的任务

  1. 词法分析器和解析器：对源代码进行分词并构建 AST 结构
  2. 名称绑定：解析标识符并构建符号表
  3. 类型检查：使用约束验证类型并执行类型推断
  4. SIL 生成：将类型检查后的 AST 转换为 Swift 中间语言
  5. SIL 优化：在 SIL 层面应用各种优化
  6. LLVM IR 生成：将优化后的 SIL 转换为 LLVM IR
  7. 代码生成：使用 LLVM 生成机器码

类型系统与基于约束的类型检查

Swift 编译器最复杂的部分之一是其类型检查器，它使用基于约束的方法来推断类型。

来源：lib/Sema/ConstraintSystem.cpp114-148 lib/Sema/CSSimplify.cpp49-83 lib/Sema/CSGen.cpp45-77 lib/Sema/CSDiagnostics.cpp61-85

基于约束的类型检查过程包括

  1. 约束生成：从 AST 节点创建类型约束

    • 实现在 CSGen.cpp
    • 使用类型变量表示未知类型
    • 生成诸如相等性、子类型、转换等约束

  2. 约束简化：将复杂约束简化为更简单的形式

    • 实现在 CSSimplify.cpp
    • 处理运算符重载、方法查找和类型转换

  3. 约束求解：搜索约束系统的有效解决方案

    • 实现在 CSSolver.cpp
    • 使用回溯算法查找有效的类型赋值
    • 通过分支处理析取（OR 约束）

  4. 解决方案应用：将求解后的类型重新应用到 AST

    • 实现在 CSApply.cpp
    • 用具体类型重写 AST 节点

  5. 诊断生成：在类型检查失败时生成有用的错误消息

    • 实现在 CSDiagnostics.cpp
    • 为不同类型的错误提供具体诊断

声明和 AST

Swift 的 AST 以声明为中心，声明代表命名的程序实体。

来源：include/swift/AST/Decl.h134-217 lib/AST/Decl.cpp156-335

AST 的结构围绕声明构建，包括

  1. Decl 类：所有声明的基类

    • 使用 DeclKind 枚举标识声明的种类
    • 维护属性、源代码位置和父上下文

  2. ValueDecl 子类：具有名称和类型的声明

    • 函数、变量、下标、枚举元素等
    • 每个都有接口类型和访问级别

  3. TypeDecl 子类：定义类型的声明

    • 类、结构体、枚举、协议、类型别名

  4. 描述性种类：更细粒度的分类

    • DescriptiveDeclKind 枚举提供详细分类
    • 用于更好的诊断和面向用户的描述

  5. AST 上下文：AST 信息的中央存储库

    • 管理 AST 内存和类型唯一化
    • 维护声明的全局表

约束系统和类型检查实现

ConstraintSystem 类是类型检查表达式的核心组件。

来源：lib/Sema/ConstraintSystem.cpp114-148 include/swift/Sema/ConstraintSystem.h

ConstraintSystem 的关键实现方面

  1. 类型变量：在推断过程中表示未知类型

    • 通过 TypeVariableType 类管理
    • 可以是自由的、绑定到具体类型或绑定到其他类型变量

  2. 约束：表达类型之间的关系

    • 各种类型：相等性、转换、成员查找、析取
    • 存储在约束列表中以供处理

  3. 约束图：跟踪类型变量之间的关系

    • 通过关注相关约束来优化约束求解
    • 有助于确定在类型变量绑定时哪些约束会受到影响

  4. 绑定：将类型变量映射到其解析后的类型

    • 用于在约束求解过程中跟踪解决方案
    • 用于创建最终类型化的表达式

  5. 析取选择：跟踪分支点处的决策

    • 记录为每个析取选择的备选项
    • 用于诊断和解决方案排名

Swift 中间语言 (SIL)

SIL 是 Swift 的主要中间表示，它在高级 AST 和低级 LLVM IR 之间架起了桥梁。

来源：lib/IRGen/IRGenSIL.cpp lib/Sema/CSApply.cpp60-106

SIL 的特点是

  1. 显式内存管理：使 ARC 操作显式化

    • 保留、释放和移动操作有明确的表示
    • 能够优化引用计数操作

  2. 地址类型：左值和右值的独立表示

    • 地址类型与对象类型
    • 使变异和所有权语义显式化

  3. 泛型特化：特化泛型代码的框架

    • 捕获反虚化和特化所需的信息
    • 支持整模块优化

  4. 所有权语义：值的显式所有权表示

    • 支持 Swift 的独占类型和所有权功能
    • 允许编译器验证所有权正确性

编译器调用与前端

Swift 编译器通常通过其前端工具进行调用，该工具配置编译过程。

来源： lib/Frontend/CompilerInvocation.cpp54-91 lib/FrontendTool/FrontendTool.cpp

编译器调用过程包括

  1. 命令行处理：解析参数和选项

    • 设置编译模式（JIT、全模块等）
    • 配置输入和输出文件

  2. 配置设置：初始化编译器设置

    • 目标三元组（平台、架构等）
    • 语言特性和版本
    • 模块和库的搜索路径

  3. 资源路径设置：定位编译器资源

    • 标准库和运行时
    • 用于 C/C++/Objective-C 导入的 Clang 资源
    • 模块缓存目录

  4. 诊断配置：设置诊断系统

    • 警告级别和行为
    • 诊断的输出格式
    • 警告抑制

  5. 编译管道设置：配置处理阶段

    • 要运行的阶段（解析、类型检查、SIL 生成等）
    • 优化级别。
    • 输出文件类型

结论

Swift 编译器是一个复杂的组件管道，它们协同工作，将 Swift 源代码转换为可执行的二进制代码。从解析到代码生成，每个组件在编译过程中都起着特定的作用。理解这种架构为使用 Swift 编译器打下了坚实的基础，无论是用于开发、调试还是扩展其功能。

来源： lib/Sema/ConstraintSystem.cpp lib/Sema/CSSimplify.cpp include/swift/AST/DiagnosticsSema.def lib/AST/Decl.cpp lib/Sema/CSApply.cpp lib/Frontend/CompilerInvocation.cpp lib/Parse/ParseDecl.cpp lib/Sema/CSGen.cpp lib/Sema/TypeCheckType.cpp