Switch문을 LLVM으로 변환하기
C 코드
#include <stdio.h>
void main() {
int n;
scanf("%d", &n);
switch(n) {
case 0: printf("0");
break;
case 1: printf("1");
break;
case 2: printf("2");
break;
default:
printf("default");
break;
}
}LLVM IR
이를 clang으로 컴파일 하여 .ll 파일을 생성해 주었다.
; ModuleID = 'switch.c'
source_filename = "switch.c"
target datalayout = "e-m:e-p270:32:32-p271:32:32-p272:64:64-i64:64-i128:128-f80:128-n8:16:32:64-S128"
target triple = "x86_64-unknown-linux-gnu"
@.str = private unnamed_addr constant [3 x i8] c"%d\00", align 1
@.str.1 = private unnamed_addr constant [2 x i8] c"0\00", align 1
@.str.2 = private unnamed_addr constant [2 x i8] c"1\00", align 1
@.str.3 = private unnamed_addr constant [2 x i8] c"2\00", align 1
@.str.4 = private unnamed_addr constant [8 x i8] c"default\00", align 1
; Function Attrs: noinline nounwind optnone uwtable
define dso_local void @main() #0 {
%1 = alloca i32, align 4
%2 = call i32 (ptr, ...) @__isoc99_scanf(ptr noundef @.str, ptr noundef %1)
%3 = load i32, ptr %1, align 4
switch i32 %3, label %10 [
i32 0, label %4
i32 1, label %6
i32 2, label %8
]
4: ; preds = %0
%5 = call i32 (ptr, ...) @printf(ptr noundef @.str.1)
br label %12
6: ; preds = %0
%7 = call i32 (ptr, ...) @printf(ptr noundef @.str.2)
br label %12
8: ; preds = %0
%9 = call i32 (ptr, ...) @printf(ptr noundef @.str.3)
br label %12
10: ; preds = %0
%11 = call i32 (ptr, ...) @printf(ptr noundef @.str.4)
br label %12
12: ; preds = %10, %8, %6, %4
ret void
}
declare i32 @__isoc99_scanf(ptr noundef, ...) #1
declare i32 @printf(ptr noundef, ...) #1
attributes #0 = { noinline nounwind optnone uwtable "frame-pointer"="all" "min-legal-vector-width"="0" "no-trapping-math"="true" "stack-protector-buffer-size"="8" "target-cpu"="x86-64" "target-features"="+cmov,+cx8,+fxsr,+mmx,+sse,+sse2,+x87" "tune-cpu"="generic" }
attributes #1 = { "frame-pointer"="all" "no-trapping-math"="true" "stack-protector-buffer-size"="8" "target-cpu"="x86-64" "target-features"="+cmov,+cx8,+fxsr,+mmx,+sse,+sse2,+x87" "tune-cpu"="generic" }
!llvm.module.flags = !{!0, !1, !2, !3, !4}
!llvm.ident = !{!5}
!0 = !{i32 1, !"wchar_size", i32 4}
!1 = !{i32 8, !"PIC Level", i32 2}
!2 = !{i32 7, !"PIE Level", i32 2}
!3 = !{i32 7, !"uwtable", i32 2}
!4 = !{i32 7, !"frame-pointer", i32 2}
!5 = !{!"clang version 21.0.0git (https://github.com/llvm/llvm-project.git 4d1e4eff5f6c6c62781926b0d31ad155364ffe62)"}생성된 IR결과이고 하나씩 살펴보자
String
@.str = private unnamed_addr constant [3 x i8] c"%d\00", align 1
@.str.1 = private unnamed_addr constant [2 x i8] c"0\00", align 1
@.str.2 = private unnamed_addr constant [2 x i8] c"1\00", align 1
@.str.3 = private unnamed_addr constant [2 x i8] c"2\00", align 1
@.str.4 = private unnamed_addr constant [8 x i8] c"default\00", align 1switch에 있는 case문에서 사용하는 printf문 안에 있는 String 값들이 선언돼 있다.
Switch
switch i32 %3, label %10 [
i32 0, label %4
i32 1, label %6
i32 2, label %8
]switch에 있는 %3은 scanf를 통해 값이 정해지는 변수 n이다.
뒤에 label %10은 switch의 default를 의미하여 아래 있는 조건에 해당하지 않으면, 아래 label 10으로 분기하게 된다.
Case
4: ; preds = %0
%5 = call i32 (ptr, ...) @printf(ptr noundef @.str.1)
br label %12
6: ; preds = %0
%7 = call i32 (ptr, ...) @printf(ptr noundef @.str.2)
br label %12
8: ; preds = %0
%9 = call i32 (ptr, ...) @printf(ptr noundef @.str.3)
br label %12
10: ; preds = %0
%11 = call i32 (ptr, ...) @printf(ptr noundef @.str.4)
br label %12switch의 case문이다.
순서대로 case 0~2, default 안에서 실행하는 코드들이 정의돼 있고, 각 case 마지막에는 break 문인 br label %12가 있는 것을 볼 수 있다.
Optimize
현재 실험은 최적화 옵션 없이 진행하였으며, 값을 입력받아 사용하였다.
확인해본 결과 값을 상수로 하고, -Ofast 옵션을 사용하였을때 switch문을 사용하지 않은 것을 볼 수 있었다.
하지만, 상수값을 넣고 최적화 옵션을 사용하지 않으면 이전처럼 switch문을 사용하는 것을 볼 수 있었다.
Result
- switch문을 중간언어 LLVM으로 바꾸면 switch 명령어를 사용
- 최적화 옵션을 사용하지 않으면 switch 명령어 사용
- switch의 조건값이 상수가 아니면 switch 명령어 사용
Pass 작성
Pass를 이용해서 switch문에 case안에서 실행되는 명령어들을 출력해 보았다.
namepsace
namespace {
struct SwitchCasePrinterPass : PassInfoMixin<SwitchCasePrinterPass> {
PreservedAnalyses run(Function &F, FunctionAnalysisManager &) {
errs() << "Function: " << F.getName() << "\n";
for (BasicBlock &BB : F) {
for (Instruction &I : BB) {
if (auto *SI = dyn_cast<SwitchInst>(&I)) {
errs() << " Found switch on value: " << *SI->getCondition() << "\n";
// 각 case
for (auto Case : SI->cases()) {
ConstantInt *Val = Case.getCaseValue();
BasicBlock *TargetBB = Case.getCaseSuccessor();
errs() << " Case " << Val->getSExtValue() << " -> " << TargetBB->getName() << "\n";
printBlockInstructions(TargetBB);
}
// default case
BasicBlock *DefaultBB = SI->getDefaultDest();
errs() << " Default case -> " << DefaultBB->getName() << "\n";
printBlockInstructions(DefaultBB);
}
}
}
return PreservedAnalyses::all();
}
void printBlockInstructions(BasicBlock *BB) {
for (Instruction &Inst : *BB) {
errs() << " " << Inst << "\n";
}
}
};
}namespace부분을 살펴 보도록 하자
처음에 pass 실행시 함수의 이름이 뜨도록 하였다. 그 다음 함수에 있는 베이직 블럭을 순회하고 각 베이직 블럭에서 명령어 단위로 순회하였다. 만약 명령어 중에 switch가 있으면 switch안에 있는 조건을 가져온다.
먼저 각 case에 있는 명령어들을 출력한다. 그 다음 default case에 있는 명령어를 출력해 주었다.
Script
#!/bin/bash
LLVM_BUILD=~/llvm-project/build
LLVM_PASS=$LLVM_BUILD/lib/DetectSwitchPass.so
INPUT="$1"
EXT="${INPUT##*.}"
if [ "$EXT" == "c" ]; then
echo "🔄 Converting $INPUT to LLVM IR (.ll)..."
BASE="${INPUT%.c}"
clang -S -emit-llvm -O0 -Xclang -disable-O0-optnone "$INPUT" -o "${BASE}.ll"
INPUT="${BASE}.ll"
fi
echo "🚀 Running DetectSwitchPass on $INPUT..."
$LLVM_BUILD/bin/opt \
-load-pass-plugin=$LLVM_PASS \
-passes="detectswitch" \
-S \
"$INPUT" \
-o "${INPUT%.ll}_switch.ll"기존 script보다 복잡해 진 것을 볼 수 있다. 스크립트 안에서 clang으로 .c파일을 .ll로 컴파일 하는 것을 볼 수 있는데 이렇게 변경한 이유는 뒤에서 설명하도록 하겠다.
optnone
pass를 작성하고 실행했을때 아무것도 뜨지 않는 문제가 있었다.
clang -S -emit-llvm switch.c -o test.ll이렇게 optimze 옵션 없이 컴파일을 하면, 기본적으로 -O0옵션을 사용한다고 한다. 그렇게 되면 IR에
; Function Attrs: noinline nounwind optnone uwtable와 같은 문장이 추가가 된다. 각 attribute에 의미가 있지만 문제와 연관된 optnone에 대해서 설명하면 최적화 비활성화를 명시하는 attribute로 디버깅을 위한 optnone 함수는 원칙적으로 분석/최적화 대상에서 제외되기 때문이다.
그렇기 때문에 앞서 위에서 작성한 script를 보면
clang -S -emit-llvm -O0 -Xclang -disable-O0-optnone "$INPUT" -o "${BASE}.ll"명시적으로 optnone을 제거하여 컴파일 한 것을 볼 수 있다.
명령어가 너무 길어 script로 작성하였다.
Result
작성한 스크립트는 .c 파일을 받아 .ll로 컴파일 하고 pass를 실행한다.
pass 실행 명령어는
llvm_switch switch.c이렇게 되며 실행 결과
위와 같이 잘 나오는 것을 볼 수 있다.
