LLVM IR とツーリング

目的

エージェントを LLVM IR パイプラインにガイドします。IR の生成、opt で最適化パスを実行、llc でアセンブリに降低、デバッグやパフォーマンス作業のための IR の検査を扱います。

トリガー

• 「この関数の LLVM IR を見せてください」
• 「LLVM 最適化パスを実行するにはどうすればいいですか？」
• 「この LLVM IR 命令はどういう意味ですか？」
• 「カスタム LLVM パスを書くにはどうすればいいですか？」
• 「LLVM で自動ベクトル化が行われていないのはなぜですか？」

ワークフロー

1. LLVM IR を生成

# テキスト形式の IR (.ll) を出力
clang -O0 -emit-llvm -S src.c -o src.ll

# ビットコード (.bc) を出力
clang -O2 -emit-llvm -c src.c -o src.bc

# ビットコードをテキストに逆アセンブル
llvm-dis src.bc -o src.ll

2. opt で最適化パスを実行

# 特定のパスを適用
opt -passes='mem2reg,instcombine,simplifycfg' src.ll -S -o out.ll

# 標準最適化パイプライン
opt -passes='default<O2>' src.ll -S -o out.ll
opt -passes='default<O3>' src.ll -S -o out.ll

# 利用可能なパスをリスト表示
opt --print-passes 2>&1 | less

# パスの前後で IR を出力
opt -passes='instcombine' --print-before=instcombine --print-after=instcombine src.ll -S -o out.ll 2>&1 | less

3. llc で IR をアセンブリに降低

# IR をオブジェクトファイルにコンパイル
llc -filetype=obj src.ll -o src.o

# アセンブリにコンパイル
llc -filetype=asm -masm-syntax=intel src.ll -o src.s

# 特定の CPU をターゲット
llc -mcpu=skylake -mattr=+avx2 src.ll -o src.s

# 利用可能なターゲットを表示
llc --version

4. IR を検査

重要な IR 構文：

構文	意味
alloca	スタック割り当て (SSA 前; mem2reg でレジスタに昇格)
load/store	メモリアクセス
getelementptr (GEP)	ポインタ演算 / フィールドアクセス
phi	SSA φ ノード：先行ブロックから値をマージ
call/invoke	関数呼び出し (invoke は例外エッジあり)
icmp/fcmp	整数/浮動小数点比較
br	分岐 (条件付きまたは無条件)
ret	リターン
bitcast	ビットの再解釈 (コード生成では no-op)
ptrtoint/inttoptr	ポインタ↔整数 (可能な限り避ける)

5. 主要なパス

パス	効果
mem2reg	alloca を SSA レジスタに昇格
instcombine	命令の結合 / ピープホール最適化
simplifycfg	CFG クリーンアップ、デッドブロック削除
loop-vectorize	自動ベクトル化
slp-vectorize	スーパーワードレベルの並列化 (直線ベクトル化)
inline	関数インライン化
gvn	グローバル値番号付け (共通部分式除去)
licm	ループ不変式コード移動
loop-unroll	ループアンロール
argpromotion	ポインタ引数を値に昇格
sroa	スカラー集約置換

6. 見落とされた最適化のデバッグ

# ループがベクトル化されなかったのはなぜか？
clang -O2 -Rpass-missed=loop-vectorize -Rpass-analysis=loop-vectorize src.c

# パスパイプラインをダンプ
clang -O2 -mllvm -debug-pass=Structure src.c -o /dev/null 2>&1 | less

# 各パスの後で IR を出力 (非常に詳細)
opt -passes='default<O2>' -print-after-all src.ll -S 2>&1 | less

7. 有用な LLVM ツール

ツール	目的
llvm-dis	ビットコード → テキスト形式 IR
llvm-as	テキスト形式 IR → ビットコード
llvm-link	複数ビットコードファイルをリンク
llvm-lto	スタンドアロン LTO
llvm-nm	ビットコード/オブジェクト内のシンボル
llvm-objdump	オブジェクトを逆アセンブル
llvm-profdata	PGO プロファイルをマージ/表示
llvm-cov	カバレッジレポート
llvm-mca	マシンコード分析ツール (スループット/レイテンシ)

binutils の同等物については、skills/binaries/binutils を参照。

関連スキル

• ソースレベルの Clang フラグについては skills/compilers/clang を使用
• リンク時の LTO については skills/binaries/linkers-lto を使用
• マイクロアーキテクチャ分析のために skills/profilers/linux-perf と llvm-mca を組み合わせて使用