（转载）Tools for Learning LLVM TableGen

前提

最近在学习有关llvm的东西，其中TableGen占了一部分，所以想特意学习下TableGen相关的语法。这里找到了LLVM官网的一篇介绍TableGen的博客，学习并使用机器翻译为中文。在文章的最后也添加了一些学习TableGen的资源。

原文地址：Tools for learning LLVM TableGen

正文

TableGen 是 LLVM 项目中用于生成各种文件的一种语言，用于当手动维护编写非常困难时。

例如，它用于定义可在特定架构上使用的所有指令。信息用 TableGen 定义，我们可以根据该单个源文件生成许多东西，比如C++ 代码、文档、命令行选项等。

在LLVM第一个官方Release 版本发布之前，TableGen就存在了，大约20年前。

现在在LLVM项目存储库中，有超过 1000 个TableGen源文件，总计超过500,000 行代码。使其成为LLVM库中第五大最流行的语言。
在这里插入图片描述
随着像MLIR这样的项目也使用了TableGen，如果你正在对LLVM做贡献，你将会在某一时间遇到它。

因为 TableGen 只存在于 LLVM 中，所以就可能有一个问题。与 C++等语言不同，TableGen 没有大量的学习资源。

因此，除了加入一个新项目，您还需要学习一种新的领域特定语言（Domain Specific Language，DSL）。你来LLVM不是为了学习DSL，你可能是来这里写编译器的。

我不能说这个问题什么时候可以解决，但情况并不像看起来那么糟糕。最近 TableGen 工具有了很大的改进，这意味着你可以把更多的精力投入到最初把你带到 LLVM 的目标上。

对于TableGen的简短介绍

假设您想表示一个架构的寄存器。我将在这里特别使用 Arm 的AArchi64。

你可以使用TableGen描述它：

$ cat register.tdclass Register<int _size, string _alias=""> {int size = _size;string alias = _alias;
}// 64 bit general purpose registers are X<N>.
def X0: Register<8> {}
// Some have special alternate names.
def X29: Register<8, "frame pointer"> {}
// Some registers omitted...

默认情况下，TableGen的编译器 llvm-tblgen 会创建 “records”，如下所示。

$ ./bin/llvm-tblgen register.td------------- Classes -----------------
class Register<int Register:_size = ?, string Register:_alias = ""> {int size = Register:_size;string alias = Register:_alias;
}
------------- Defs -----------------
def X0 {        // Registerint size = 8;string alias = "";
}
def X29 {       // Registerint size = 8;string alias = "frame pointer";
}

这是TableGen的中间表示IR，类似于LLVM中的"LLVM IR"。

在使用 LLVM 时，您将选择一个 “target”，这是你想要为其生成指令的处理器架构。在TableGen这里的等价物是 “backend”。这些后端不生成指令，而是为该后端的特定用例输出一种格式化的定义或数据。

例如，有一个后端生成用于搜索数据表的 C++ 代码，其他示例是 C 头文件和重结构化文本文档。
在这里插入图片描述
主要使用的编译器是llvm-tblgen，但也有其他特定于LLVM中子项目的编译器。例如clang-tblgen和lldb-tblgen。唯一的区别是它们包含的后端不同，语言是相同的。

你可以采用你的寄存器定义并生成C++代码，以便在某种引导加载程序中对其进行初始化。也许你还可以对其进行记录并生成该过程的图表。如果有足够的后端，你可以从相同的TableGen源代码完成所有这些操作。

在使用TableGen创建后端时，可以通过两种方式实现：

  • 在TableGen编译器内部用C++编写后端
  • 作为外部后端，通过TableGen的JSON输出生成所需数据：TableGen 提供 --dump-json 选项，可以将编译器内部数据以 JSON 格式输出。这样你可以使用支持 JSON 解析的任何语言（例如 Python）编写外部程序，来读取和处理这些 JSON 数据，以实现自定义的后端。

TableGen和使用TableGen构建的工具

TableGen更多的是一种思维方式，而不是一种工具。最好的总结方式是引用文档中的一句话：

尽管 TableGen 非常通用，但它仍存在一些缺陷，而且这些缺陷已经被多次指出。总体的反馈是，虽然 TableGen 允许用户创建领域特定语言（DSL，Domain-Specific Language），但这些最终生成的语言缺乏其他 DSL 的强大功能，这反过来使得 TableGen 文件的规模和复杂性显著增加。
同时，TableGen 允许用户通过自定义的后端，几乎可以为基本概念赋予任何意义，这种灵活性可能会偏离最初设计的意图，导致 TableGen 文件难以理解，对新手尤其不友好，甚至可能变得“邪恶难懂”。

在使用 LLVM 时，你将会接触到 TableGen 以及由 TableGen 构建的各种工具和配置，而这些通常比 TableGen 语言本身更复杂。

这就像学习 C++ 的过程中遇到了 Boost 库。有人可能会告诉你：“Boost 并不是必须的，为什么不去掉它，省些麻烦呢？”但是，作为 C++ 的新手，你可能并不了解 C++ 和 Boost 之间的界限。

当然，如果你想要参与的项目中使用了 Boost，那么这种建议并没有太大帮助——你依然不得不处理 C++ 和 Boost。对于 LLVM 而言，TableGen 语言和使用它的后端工具是一揽子服务，你必须一起理解它们。

我之所以提到这些，是希望你可以区分自己不理解的到底是 TableGen 本身，还是使用它构建的其他工具。清楚究竟是哪个部分让你困惑，将更有利于你寻求帮助。

对于任何任务来说，你可能只需要理解一两个“用 TableGen 构建的工具”，而且往往不需要全面掌握它们。

不要觉得自己在学习 TableGen 时一定要弄懂它的所有应用方式。这当然是可能的，但并非必要，而且几乎没有人会完全精通。相反，把精力放在那些真正让你感兴趣的部分才是更明智的选择。

Compiler Explorer

我们在 Compiler Explorer 中也有 TableGen！如果一种语言不在 Compiler Explorer 中，它还算是“真实存在”吗？（当然算，不过如果你喜欢的语言没有出现在其中，Compiler Explorer 有出色的文档和友好的维护人员）。

Compiler Explorer 是一个强大的在线工具，支持不同语言和架构的各种编译器版本，只需在浏览器中打开一个标签页即可访问。这个工具在学习、教学、调试、优化等方面非常有用。本文不会详细介绍它的功能，只简单提及一下 TableGen 在 Compiler Explorer 中的使用情况。

显然，llvm-tblgen（TableGen 编译工具）不会输出机器指令（不过理论上可以有这样的后端），因此它没有编译为二进制或执行代码的选项。

默认情况下，TableGen 中的记录（记录结构）会以纯文本形式输出。你可以通过添加编译选项选择后端，或者在 “Overrides”（覆盖）菜单中选择“Action”（动作）来选择不同的后端。

需要注意的是，TableGen 的后端对源代码的内容有非常具体的要求。就像你有一个 C++ 编译器，除非代码中包含arm_is_cool，否则它不会编译 Arm 架构的代码。

在 LLVM 仓库中，所有所需的类都已为你设置好，但在 Compiler Explorer 中则没有。因此，如果你想在现有后端上进行实验，建议提供一些类的简易实现，或者从 LLVM 项目仓库中复制一些代码。你也可以使用 include/llvm/*.td 中的标准包含文件。

目前在 Compiler Explorer 中无法开发一个后端，但你可以选择 JSON 后端并将生成的 JSON 复制到本地脚本中进一步处理。

Compiler Explorer 也支持多文件项目（“IDE 模式”），因此你可以有自己的包含文件。

最后，记住你可以分享 Compiler Explorer 中的示例。如果你在提问或解答有关 TableGen 的问题时，尽量包含一个 Compiler Explorer 的链接！

Jupyter Notebooks

Jupyter 可以创建交互式笔记本。一个笔记本是一个包含文本、代码和代码运行结果的文档。这种方式允许你编辑代码并重新运行，以在笔记本中更新结果。

这种功能非常适合做笔记，或者从小的代码片段构建出大型示例。你可以将文档导出为可编辑的笔记本文件，便于他人修改，也可以导出为非交互式格式，如 PDF 或 Markdown。

可以通过 TableGen Jupyter Kernel 在 Jupyter 笔记本中使用 TableGen。安装说明可以在这里找到，而详细介绍可以参考我在这里的讲解。

注意：Jupyter 还有 MLIR Kernel 和其他许多 Kernel 可用。

我们力图为 TableGen 提供与其他语言相同的体验，所以我不会专注于如何使用 Jupyter 笔记本，而是展示我们能使用它们实现的成果。

TableGen 教程 Notebook

这个notebook 是对TableGen的介绍，你可以在Github上阅读，或者下载它在Jupter中阅读。

当使用Jupyter时，你可以修改文档添加你自己的例程，或者扩展你感兴趣的点。

如何编写TableGen后端的Notebook

这个Notebook使用 Python 代替 TableGen，展示了如何编写一个后端。

这个笔记本是基于 Min-Yih Hsu 在 2021 年欧盟 LLVM 开发者会议上的演讲《如何编写 TableGen 后端》。事实上，该Notebook是 Min C++实现的 Python 版本。

它展示了如何获取 llvm-tblgen 的 JSON 输出，并使用 Python 处理它，生成 SQL 查询。

特别之处在于：我们现在拥有相同内容的多种媒介形式和多种编程语言版本。可以选择最适合自己的学习方式。

回到之前提到的“TableGen和使用TableGen构建的工具”概念，这个教程笔记本是关于 TableGen 的内容，而“如何编写后端”则属于“由 TableGen 构建的工具”。

限制

该Notebook的一个主要限制是无法进行输出过滤。也就是说，如果你在Notebook中 include "llvm/Target/Target.td"，那么会产生大约 320,000 行输出（即使你还没有添加任何代码）。这个输出量超过了默认notebook对内核的接受限度，并且当我移除该限制时，浏览器标签页会崩溃。

在大多数情况下，这不是问题，而且可行的解决方案都有较大的权衡，因此我们不会急于推出修复。如果这个问题确实影响到了你，请在跟踪问题页面中提交反馈。

TableGen 语言服务

MLIR 项目实现了一个兼容语言服务器协议（LSP 的服务器，支持 TableGen 及 MLIR 中使用的另外两种语言。

语言服务器协议（LSP 为兼容的编辑器提供有关语言和项目结构的信息。例如：包含文件的位置、特定类型定义的位置等。

如果你使用过兼容 LSP 的编辑器（比如 Visual Studio Code），很可能已经在不知情的情况下用过语言服务器。最常见的功能是“跳转到定义”（Go To Definition）。

LSP 允许你打开一个项目，找到想修改的代码，并直接跳转到仓库中的其他相关部分。LLVM 项目中包含超过 500,000 行的 TableGen 代码，因此有了 LSP 的帮助，能够忽略大量无关的代码！

安装使用

你需要一个名为 tblgen-lsp-server 的服务器二进制文件，可以从适合你平台的发布包中获取，也可以自行构建。

使用以下命令自行构建：

$ cmake -G Ninja <path-to>/llvm-project/llvm -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release -DLLVM_ENABLE_PROJECTS="mlir"
$ ninja tblgen-lsp-server

运行这些命令后，tblgen-lsp-server 二进制文件会出现在 <build-dir>/bin/ 目录中。

tblgen-lsp-server 需要一个名为 tablegen_compile_commands.yml 的编译数据库文件。当你使用 CMake 配置 LLVM 时，该文件会自动生成。

这个文件的作用类似于使用 CMAKE_EXPORT_COMPILE_COMMANDS 时生成的 compile_commands.json 文件，但这两个文件并无直接关系。

只要你当前的 llvm-project 包含一个特定的提交，生成的编译数据库就会包含所有启用项目中的 TableGen 文件（在该提交之前，这个文件只包含 MLIR 项目的文件）。

例如，以下配置命令会包含LLVM、Clang、MLIR 和 LLDB 子项目中的 TableGen 文件信息：

$ cmake -G Ninja <path-to>/llvm-project/llvm -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release -DLLVM_ENABLE_PROJECTS="clang;llvm;lldb;mlir"

这个命令同样适用于 -DLLVM_TARGETS_TO_BUILD= 选项。如果只启用了一个目标，那么编译数据库中就只包含与该目标相关的文件。

注意： 你不需要构建项目即可将其 TableGen 文件包含在编译数据库中，只需完成配置步骤即可。(Note: You do not need to build a project to include its TableGen files in the compilation database. Configuring is all that is needed.)

接下来，为你的编辑器配置 LSP 客户端：

Visual Studio Code：安装 MLIR扩展，并按照说明设置扩展，以指定服务器和编译数据库的位置。

如果你正在使用其他编辑器，参考其文档了解如何配置语言服务器。设置编译数据库路径可能需要使用服务器的命令行选项。运行tblgen-lsp-server --help 查看所有可用选项。

示例

This example assumes you have configured LLVM with the AArch64 target enabled. (It is enabled by default)

  • Open the file llvm/lib/Target/AArch64/AArch64.td.
  • Put your cursor on a use of the SubtargetFeature type.
  • In the menu bar, select “Go” then “Go to Definition”.
  • This takes you to llvm/include/llvm/Target/Target.td, where SubtargetFeature is defined.

限制

语言服务器 揭示了某些 LLVM 目标（如 AArch64）使用 TableGen 时的一个反模式（anti-pattern）。

在这种模式下，你可能会在一个文件中使用某个类，但该文件既没有定义该类，也没有包含定义该类的文件。这是因为该文件本身是设计用来被包含在另一个文件中的，而这个文件（即包含它的文件）会包含定义该类的文件。

// example.td
class Example {}// uses_example.td
def example: Example {}// main.td
include "example.td"
include "uses_example.td"
  • example.td 定义了 Example 类。
  • uses_example.td 使用了 Example 类，但没有包含 example.td。
  • main.td 包含了 example.td 和 uses_example.td。
  • 编译时使用的是 main.td。
  • 当你在 uses_example.td 文件中时，语言服务器无法知道 Example 类在哪里定义，因为 uses_example.td 并没有直接包含 example.td。
  • 当你在 main.td 中时，语言服务器能够找到 Example 类的定义，因为 main.td 包含了 example.td 和 uses_example.td。

这种反模式的问题在于，单独查看 uses_example.td 时，它看起来像一个孤立的文件，语言服务器无法正确理解它的上下文。

Dump

printf是最好的debug工具，在TableGen同等的是dump以及它的伙伴repr

def op;
class A {string A = "some text";dag X =(op op);
}
def a : A;dump "The Value of a is: \n" # !repr(a);

dump会打印到stderr：

def op;
class A {string A = "some text";dag X =(op op);
}
def a : A;dump "The Value of a is: \n" # !repr(a);

这个功能最近才被添加，因此你需要最近构建的版本，18.0版本或更高。

当然你也可以在Compiler Explorer中使用它。

Assertions

**断言（assertion）**用于检查程序中特定条件是否为真。一个断言由以下三部分组成：

  • assert 关键字。
  • 一个条件（通常通过 bang 操作符之一来判断）。
  • 一条信息（出错时显示的消息）。

如果条件为假，则生成一个编译器错误并显示提供的消息。

以下代码检查是否尝试创建一个大小小于 0 的寄存器：

class Register<int _size> {assert !gt(_size, 0),"Register size must be > 0, not " # _size # "." ;int size = _size;
}def X0: Register<8> {}
def X1: Register<-8> {}

在Compiler Explorer中尝试。

在这个例子中：

  • 寄存器 X0：_size=8，条件 !gt(_size, 0)（C 语言中等同于 _size > 0）为真，因此不会生成错误。

  • 寄存器 X1：_size=-8，条件为假，因此会生成错误，编译器输出如下：

    <source>:2:11: error: assertion failedassert !gt(_size, 0),^
note: Register size must be > 0, not -8.

在学习新代码时，添加自己的断言来检查假设会很有帮助。此外，为他人使用的代码添加断言是防止误用的好方法。和文档不同，断言错误是无法忽略的，一旦条件不满足就会被立刻发现。

Find In Files

将文本搜索（如 grep、ack 或“查找文件中的内容”）放在最后是因为在理想情况下，这种方法是最后的选择。但实际上，这种方法并不是最次的选择。如果你对语言语法有一定了解，文本搜索的效果往往超出预期。

为什么我要提到这么显而易见的想法？显然，“显而易见”是主观的，而且在某些特定情况下，文本搜索的效果会更加明显。

在 LLVM 项目仓库中，我们使用了很多 TableGen 代码。如果你想了解某个特定功能的用法，可以在超过 500,000 行的源代码中找到它。你可能会惊讶地发现，一个简单的查询就能找到有用的信息。

考虑一下你想要查找的内容，想象一下它的源代码会是什么样子。如果是一个类，它会带有模板参数吗？那么类名后面可能会有 <。如果是错误消息，哪些部分是固定的，哪些部分是插入的模板内容？

例如，“期望的行尾”可能是一个静态字符串，所以可以直接搜索该消息。而像 “class Foo has no attribute Bar” 这样的消息更可能是通过替换类名和属性名生成的，因此更好的搜索词可能是“has no attribute”。

LLVM 项目中也有许多编译器测试，大部分都在特定文件夹中，这些文件夹包含了语言特性的最小示例。可以尝试将搜索范围缩小到这些文件夹中。

Conclusion

学习 TableGen 并不需要让人感到害怕。不要因为它是一个独立的 DSL 就觉得它不具备你在其他喜欢的编程语言中所期望的功能。

要记住，TableGen 只是一个工具，而不是学习的最终目标。如果你能够通过对 TableGen 及其后端有限但准确的理解来实现你的目标，那就足够了。根据自己的需求和兴趣，学多少都可以。

除了工具支持之外，还有一个活跃的社区，随时可以在 Discord 或论坛上解答你的问题。

如果你发现了问题或希望做出改进，欢迎参与贡献，可以在 GitHub 上提交 Issue 或 Pull Request。

想想你使用的其他语言。它们是否有类似的工具？是否应该有？这些工具可能是让你从沮丧中解脱出来、爱上这门新语言的关键。

自已的收获

其实这篇博客只是从很宏观的层面讲了TableGen，但是对于我们这种新手来说，第一件事是要能读懂TableGen的语法，也就是可以看懂*.td文件。这里我推荐可以把这个全文快速看一篇，然后直接去跑官方的那个notebook，这样可以快速入门。

参考链接

  1. https://github.com/llvm/llvm-project/tree/main/llvm/utils/TableGen/jupyter
  2. LLVM 之后端篇（1）：零基础快速入门 TableGen
  3. 官方TableGen手册：https://llvm.org/docs/TableGen/ProgRef.html
  4. TableGen官方页面：https://llvm.org/docs/TableGen/index.html

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