以 MoonLLVM 為代表的實(shí)踐反思：LLVM 伴侶如何解決 C++ 基石之痛

前言：在編譯器技術(shù)領(lǐng)域，LLVM 憑借其精妙的 IR 設(shè)計(jì)、靈活的 Pass 架構(gòu)成為工業(yè)標(biāo)桿，但其底層依賴的 C++ 卻日益成為負(fù)擔(dān)。從編寫 Lua/C 編譯器到參與 LLVM 開發(fā)，我親歷了 C++ 的復(fù)雜性如何侵蝕開發(fā)效率：模板元編程的“黑魔法”、標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的陷阱、緩慢的編譯調(diào)試體驗(yàn)，以及構(gòu)建系統(tǒng)的混亂，迫使團(tuán)隊(duì)將精力耗費(fèi)在語言細(xì)節(jié)而非核心算法上。 這種困境催生了 MoonLLVM 的構(gòu)想——它并非替代 LLVM，而是作為其“友好伴侶”，通過輕量級(jí)設(shè)計(jì)規(guī)避 C++ 的弊端。

MoonLLVM 基于 MoonBit 語言，提供簡(jiǎn)潔的字符串處理、快速編譯和模塊化結(jié)構(gòu)，同時(shí)保持與原生 LLVM 的互操作性。其目標(biāo)是降低編譯器開發(fā)門檻，讓開發(fā)者更專注于語言語義與優(yōu)化創(chuàng)新，而非與工具鏈搏斗。本文將探討這一實(shí)踐如何為編譯器工程提供新思路。

求學(xué)期間，我曾經(jīng)非常迷戀 C++：模板元編程很酷，標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)看起來很「工程」、很「專業(yè)」。那會(huì)兒，我也用 C++ 寫過不少東西：Lua 編譯器、C 編譯器，還有各種各樣的小工具等等。后來畢業(yè)以后，又在國(guó)內(nèi)某知名芯片公司，也做過 LLVM / MLIR 相關(guān)工作，寫過優(yōu)化 Pass、后端代碼生成等。

但當(dāng)我的經(jīng)驗(yàn)越來越豐富，見到的東西越來越多之后，我越來越有一種感覺：

如果LLVM不是建構(gòu)在C++上的就好了。

作為知名的編譯器后端框架，LLVM 的架構(gòu)設(shè)計(jì)是非常優(yōu)秀的。它的 IR 設(shè)計(jì)、Pass 管線、Def-Use 鏈，以及對(duì)硬件的抽象，都是教科書級(jí)別的。也正因如此，LLVM 成了工業(yè)界編譯器后端的標(biāo)準(zhǔn)。2013年，LLVM被授予了2012ACM軟件系統(tǒng)獎(jiǎng)，已足以說明工業(yè)界對(duì)它的認(rèn)可。

但 LLVM 的基石語言C++，則是另一個(gè)極端。

問題頻出的C++ 1. 語言太復(fù)雜

我們?cè)凇皩?duì)付語言”上花的精力，可能超過了“對(duì)付業(yè)務(wù)”。編譯器本身已經(jīng)是一個(gè)超級(jí)復(fù)雜的系統(tǒng)，但 C++ 又額外疊加了一層復(fù)雜度：

• 一個(gè)變量可能有二十幾種初始化方式

• 一個(gè)類可以有足足六種構(gòu)造函數(shù)；

• 模板元編程的各種黑魔法，且與C++主體編程范式大為不同的函數(shù)式范式。

• 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)里大量行為細(xì)節(jié)、陷阱、爛尾特性和詞不達(dá)意，例如變長(zhǎng)數(shù)組叫vector，而真正的變長(zhǎng)數(shù)組valarray是一個(gè)爛尾的特性；vector 并不是bool的容器；std::regex離譜的性能問題；std::remove實(shí)際上的作用是把元素移動(dòng)到末尾等等。

• 各種看起來炫酷，實(shí)際上有些“故作高深”的名詞，例如SFINAE，CRTP，RTTI，RAII，monostate等等。

寫編譯器的工程師，本來應(yīng)該把大部分時(shí)間花在「語言語義、優(yōu)化算法、后端架構(gòu)」上，但在 C++ 世界，團(tuán)隊(duì)不得不在很長(zhǎng)時(shí)間里花大量精力，放在給新人培訓(xùn) C++ 語法和習(xí)慣用法，或者是與各種構(gòu)建配置、ABI、模板錯(cuò)誤信息搏斗。

2. 字符串處理上問題頻出

編譯器本質(zhì)上你可以看做是一個(gè)復(fù)雜的字符串處理程序，但一個(gè)很不幸的事實(shí)是： C++ 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)在字符串處理上的支持并不友好，缺少真正可靠的字符串處理庫(kù)，常用的std::string或者std::regex都有不小的問題。這使得現(xiàn)實(shí)世界中，很多經(jīng)典的庫(kù)可能會(huì)選擇自己動(dòng)手制作字符串庫(kù)，但是C++難以集成第三方庫(kù)的特點(diǎn)由阻礙了開發(fā)者去使用它們。

而這對(duì)于想用 C++ 入門寫編譯器的學(xué)生來說就非常不友好了，很多人連第一關(guān)「詞法分析」可能都過不去。

3. 編譯慢，調(diào)試體驗(yàn)差

C++的編譯實(shí)在是太慢了，越大的項(xiàng)目這個(gè)問題越明顯。這是C++本身模板展開和頭文件的重復(fù)編譯導(dǎo)致的這個(gè)問題，很多情況下，開發(fā)者稍微改一點(diǎn)點(diǎn)，就要重新等很久。

但編譯器又是一個(gè)「必須頻繁讀源碼、單步調(diào)試」的系統(tǒng)軟件，因?yàn)榫幾g器與Web程序或者游戲程序不同，很多 bug 無法靠打 log 簡(jiǎn)單定位；需要頻繁重編譯 + GDB / LLDB 調(diào)試。

這使得日常開發(fā)體驗(yàn)非常不友好，debug 版 LLVM + C++ 的組合，有時(shí)慢到讓人懷疑人生。編譯和調(diào)試的效率低下結(jié)果導(dǎo)致的問題就是企業(yè)的開發(fā)成本非常高。

4. 構(gòu)建系統(tǒng)和第三方依賴太折騰

幾乎每個(gè)寫 C++ 的人都和各種構(gòu)建系統(tǒng)打過交道，Makefile / Ninja / Bazel / MSBuild / SCons / ...等等。而CMake 雖然是事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，但在語法和使用體驗(yàn)上，實(shí)在是一言難盡。

構(gòu)建系統(tǒng)混亂帶來的直接后果就是引入第三方庫(kù)極其麻煩，因?yàn)椴煌陌赡苁褂昧瞬煌臉?gòu)建工具。即使都使用了CMake，ABI、編譯選項(xiàng)、鏈接方式的兼容性問題也常常出現(xiàn)。一些GitHub Star很高的項(xiàng)目，會(huì)推崇單頭文件模式，但是這樣又會(huì)帶來編譯速度的問題。

構(gòu)建系統(tǒng)和第三方庫(kù)的問題，造成了一個(gè)C++特色：C++ 程序員，對(duì)「重復(fù)造輪子」往往已經(jīng)習(xí)以為常。

如果有一個(gè)「非 C++ 的 LLVM 伴侶」……

假如我們有這樣一個(gè)東西：

• 能和真實(shí)的 LLVM 平滑互操作，能夠生成兼容 LLVM 工具鏈的 IR / bytecode；

• 有著非常優(yōu)秀的字符串處理，ADT，模式匹配語法，而且語法簡(jiǎn)單，上手容易，AI友好。

• 更輕量、編譯速度快、源碼更容易讀；

這就是 MoonLLVM 想做的事情。

MoonLLVM：A Tiny, Friendly Companion to LLVM

GitHub 地址：moonbitlang/MoonLLVM

MoonLLVM 的定位：不是「重寫 LLVM」，而是「LLVM 的友好伴侶」

先把預(yù)期講清楚：

MoonLLVM 不是 LLVM 的重構(gòu)版；也不打算直接取代 LLVM。

現(xiàn)實(shí)是：LLVM 過去二十多年集結(jié)了多家大公司的巨大投入，在優(yōu)化、多后端支持、生態(tài)廣度上，有壓倒性的優(yōu)勢(shì)。MoonLLVM 短期內(nèi)不可能、也沒必要在這些維度上正面進(jìn)攻。

MoonLLVM 想填補(bǔ)的是另一塊空白：

• 讓學(xué)生和初學(xué)者更容易接觸 IR / Pass / 后端；

• 讓小型芯片公司、小團(tuán)隊(duì)可以用更低成本做原型和特定場(chǎng)景的后端；

• 讓熟悉 LLVM 的工程師多一個(gè)更輕量、可退出的選項(xiàng)。

MoonLLVM 和很多「自建小框架」，例如QBE，Cranelift等最大的不同，是我們從一開始就認(rèn)真設(shè)計(jì)了與真 LLVM 的互操作，而不是造一個(gè)完全封閉的「私有宇宙」。

可以分三層來看：

1.1 代碼級(jí)互操作

• 我們有一個(gè) llvm.mbt 包，它是一個(gè)真 LLVM 的 MoonBit 綁定，需要本地安裝 LLVM。調(diào)用llvm.mbt得到的IR，就是原版LLVM生成出來的IR。 github: https://github.com/moonbitlang/llvm

• MoonLLVM 的 API 與 llvm.mbt 有意識(shí)地對(duì)齊：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、接口設(shè)計(jì)都保持相似。

• 用戶只需改一處：調(diào)整 moon.pkg.json 配置，即可在 MoonLLVM 和真 LLVM 之間切換：

• 設(shè)計(jì)目標(biāo)是：MoonLLVM → 真 LLVM 平滑切換；

• • 需要注意的是，反向切回來我們無法保證，這是因?yàn)镸oonLLVM還是比真LLVM簡(jiǎn)單太多。

• MoonLLVM / llvm.mbt 的 API 很大程度上參考了原版 C++ LLVM：

• • Context / Module / Function / BasicBlock / IRBuilder 等核心概念一一對(duì)應(yīng)；

  • 操作順序、調(diào)用方式盡量保持一致；

  • 對(duì)熟悉 C++ LLVM 的工程師來說，幾乎不需要換腦子。

• MoonLLVM 與 llvm.mbt 可以在同一工程中共存；

• 提供轉(zhuǎn)換函數(shù)，將 MoonLLVM 的中間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)成 llvm.mbt 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

• 這意味著：你可以在 MoonLLVM 中做自定義 IR 生成、輕量?jī)?yōu)化，然后把 IR 交給真 LLVM 做后續(xù)優(yōu)化和后端。

• MoonLLVM 生成的 LLVM IR / bytecode：

• • 可以被現(xiàn)有 LLVM 工具鏈（如 llc、opt）識(shí)別和處理；

  • MoonLLVM 對(duì)其能力范圍內(nèi)的 IR 支持 Parse 和再處理。

• 一條典型鏈路可以是：

• MoonLLVM → LLVM IR → llvm-opt 優(yōu)化 → LLVM IR →（可選）再回 MoonLLVM

從一開始，MoonLLVM 就內(nèi)建了一個(gè)清晰的「退出機(jī)制」：

• 用戶不用擔(dān)心「用了 MoonLLVM 以后就被架死在這里」；

• 未來如果有需要：可以逐步把關(guān)鍵路徑遷回真 LLVM；或者只在某些階段用 MoonLLVM 快速試驗(yàn)和開發(fā)。

1. 運(yùn)行速度：用「適度取舍」換來輕盈

2. MoonLLVM 一開始就明確做了一個(gè)選擇：不追求覆蓋所有稀奇古怪的 C 語言特性（比如 VLA 等），C++特性（例如各種C++專用的異常）。也不追求支持所有冷門架構(gòu)與擴(kuò)展。

3. 這樣做的好處是：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法可以更簡(jiǎn)單，內(nèi)部可以大量使用定長(zhǎng)整數(shù)和更直接的實(shí)現(xiàn)，在「生成 IR / 做基礎(chǔ)轉(zhuǎn)換」這類場(chǎng)景下，MoonLLVM 在 MoonBit 里調(diào)用的整體運(yùn)行速度，有機(jī)會(huì)顯著快于直接調(diào)用真 LLVM。

4. 編譯速度快，組件細(xì)粒度模塊化 MoonLLVM 有意識(shí)地把組件拆得更細(xì)，做到用到哪個(gè)編譯哪個(gè)，沒用到的完全不參與構(gòu)建；整體編譯時(shí)間可以維持在較低水平；對(duì)開發(fā)者來說：改一個(gè) Pass，不需要重編整個(gè)「工程」；非常適合做在線 Playground / REPL 的后端；或者是新 Pass / 新后端的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

5. 無外部依賴：只依賴 MoonBit 工具鏈 MoonLLVM 只需要 MoonBit 自身的工具鏈即可：不需要外部 C++ 編譯器；也不需要 CMake / TableGen 等復(fù)雜構(gòu)建工具。對(duì)于只會(huì) MoonBit 的開發(fā)者來說，安裝過程非常簡(jiǎn)單；

6. 輕量，適合「弱環(huán)境」和多種部署形態(tài)

7. 得益于整體設(shè)計(jì)的輕量化和 MoonBit 語言本身的特性：MoonLLVM 可以跑在性能不算強(qiáng)的 PC 上，也可以通過 WebAssembly 部署到瀏覽器中，這使得它在部分嵌入式 / 邊緣計(jì)算環(huán)境中也有實(shí)際落地的希望；

8. 這為「MoonBit 在線 Playground」、「嵌入式腳本 / DSL 環(huán)境」等場(chǎng)景，提供了很自然的技術(shù)路徑。

下面這個(gè)示例展示了如何用 MoonLLVM 創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的加法函數(shù)：

輸出的 LLVM IR 大致如下：

注意頂部的注釋部分明確標(biāo)注了「Generated by MoonLLVM, not llvm」，這與原版 C++ LLVM 的輸出可以清晰區(qū)分。

這份 IR 既可以交給官方 LLVM 工具鏈（例如 llc）繼續(xù)編譯，也可以作為 MoonMIR 的輸入，進(jìn)一步生成 riscv64 或 aarch64 匯編。

對(duì)應(yīng)的 C++ LLVM 程序?qū)Ρ?/p>

下面是一段等價(jià)的 C++ LLVM API 示例代碼，實(shí)現(xiàn)同樣的 add(i32, i32) -> i32 函數(shù)：

MoonLLVM 目前已經(jīng)做到什么？

當(dāng)前，MoonLLVM 已經(jīng)具備以下能力：

• 支持 LLVM IR 的構(gòu)建；

• 在此基礎(chǔ)上，完成了初步的后端代碼生成，可以獨(dú)立生成 RISC-V 匯編代碼，和 AArch64 匯編代碼。

基于 MoonLLVM，我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè) MiniMoonBit 編譯器，除基礎(chǔ)特性外，還支持模式匹配、高階函數(shù)等特性，完成MiniMoonBit編譯器后，我們還用 MiniMoonBit 跑了一個(gè)光線追蹤程序，效果可以在 B 站視頻中看到：

B 站視頻：MiniMoonBit + MoonLLVM 光線追蹤示例

性能測(cè)試：與 tcc / clang 的對(duì)比

為了測(cè)試 MoonLLVM 的實(shí)際表現(xiàn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了 5 個(gè)小例子：

• ack.mbt：Ackermann 遞歸函數(shù)；

• fib.mbt：遞歸 Fibonacci；

• eigen.mbt：矩陣求特征值；

• svd.mbt：矩陣 SVD 分解；

• queen.mbt：八皇后問題。

測(cè)試方式如下：

• MiniMoonBit（基于 MoonLLVM）

• • MiniMoonBit 生成 AArch64 匯編；

  • 使用 clang -O0 編譯匯編文件和 runtime.c，得到可執(zhí)行程序。

• tcc

• • 使用 MoonBit 將對(duì)應(yīng) .mbt 文件通過 --target native 轉(zhuǎn)為 C 程序；

  • 使用 tcc 將 C 文件與 MoonBit 標(biāo)準(zhǔn) runtime.c 編譯為可執(zhí)行程序。

• clang -O0

• • 同樣先轉(zhuǎn)為 C，再用 clang -O0 編譯。

• clang -O1

• • 同樣先轉(zhuǎn)為 C，再用 clang -O1 編譯。

然后分別運(yùn)行所得可執(zhí)行程序，記錄時(shí)間（單位：秒）：

配圖如下：

性能結(jié)果分析

整體來看：

• 基于 MoonLLVM 的 MiniMoonBit 性能明顯優(yōu)于 tcc 和 clang -O0；

• 與 clang -O1 相比，MiniMoonBit 仍有差距，但在同數(shù)量級(jí)之內(nèi)。

主要原因在于：

• MoonLLVM 當(dāng)前后端已經(jīng)做了寄存器分配（采用圖著色寄存器分配）；

• 而 tcc 和 clang -O0 不做寄存器分配，因此在部分算例中會(huì)出現(xiàn)明顯性能劣勢(shì)；

• clang -O1 在寄存器分配之外，還開啟了更多優(yōu)化 Pass，因此通常會(huì)比當(dāng)前版本的 MiniMoonBit 更快。

換句話說，在仍然相對(duì)「年輕」的優(yōu)化管線下，MoonLLVM 已經(jīng)能在不少場(chǎng)景中跑到接近 clang -O1 的表現(xiàn)；后續(xù)優(yōu)化空間依然很大。

展望：MoonLLVM 接下來要做什么？

未來一段時(shí)間內(nèi)，MoonLLVM 會(huì)重點(diǎn)在以下方向持續(xù)演進(jìn)：

1. 兌現(xiàn)互操作承諾：持續(xù)完善與真 LLVM 的互操作能力；保證「隨時(shí)可以退出到真 LLVM」這條路徑長(zhǎng)期有效。

2. 擴(kuò)展指令與類型系統(tǒng)：豐富 IR 指令和類型支持；增強(qiáng)優(yōu)化能力，引入更多調(diào)試與診斷信息。

3. 增加更多體系結(jié)構(gòu)后端：補(bǔ)充 x86_64 等后端；在更多架構(gòu)上驗(yàn)證當(dāng)前抽象方案的通用性與簡(jiǎn)潔性。

4. 打造完整工具鏈閉環(huán)：開發(fā)配套匯編器（MoonAs）與鏈接器（MoonLD）；構(gòu)建由 MoonLLVM 驅(qū)動(dòng)的、可獨(dú)立運(yùn)作的工具鏈閉環(huán)。

我們希望，MoonLLVM 既能成為教學(xué)與研究的友好平臺(tái)，也能在特定場(chǎng)景下，成為真正落地可用的輕量級(jí)編譯后端。

如果你對(duì) LLVM 生態(tài)已經(jīng)很熟悉，希望有一個(gè)更輕量、可實(shí)驗(yàn)、可與真 LLVM 平滑切換的伴侶；或者你只是想用一種更現(xiàn)代、更干凈的方式來認(rèn)識(shí)「編譯器后端」這個(gè)世界，歡迎試試 MoonLLVM：

[1]: MoonLLVM鏈接：https://github.com/moonbitlang/MoonLLVM

[2]: MiniMoonBit編譯器：https://github.com/moonbitlang/MiniMoonBit2025

[3]: B站視頻，用MoonBit寫個(gè)MiniMoonBit跑了一個(gè)光線追蹤: https://www.bilibili.com/video/BV1kSS4BqETn