通過 LLVM 在 Android 上運(yùn)行 Swift 代碼

Swift 已經(jīng)發(fā)布一年多了，蘋果承諾將在 2015 年底開源 Swift。這是非常棒的一件事情，但是我們現(xiàn)在可以在 Android 設(shè)備上運(yùn)行 Swift 嗎？

Swift 編譯器

這都是由 Chris Lattner 設(shè)計(jì)的，很容易就可以發(fā)現(xiàn) Swift 的編譯器是基于 LLVM 構(gòu)建的。LLVM 是個編譯器基礎(chǔ)設(shè)施，利用了了一個可重定向編譯器的有趣概念。

也就是說，不是生成特定架構(gòu)的機(jī)器代碼，LLVM 為一個虛擬機(jī)生成匯編代碼，然后轉(zhuǎn)換成中間代碼，適配架構(gòu)需要的實(shí)際代碼。

模塊化的設(shè)計(jì)非常的好，因?yàn)樵试S高度代碼復(fù)用（前端和后端的共享優(yōu)化）。更多關(guān)于 LLVM 的資料請看這里。

適配不同的機(jī)器

在這一點(diǎn)上，你可能會想：

如果 LLVM 已經(jīng)夠模塊化，那么我們是否可以使用一個不同的后端，生成二進(jìn)制代碼，適配 OS X，iOS 或者是 Android？

假設(shè)是可以的，我們來看看如何實(shí)現(xiàn)。

手動構(gòu)建 Swift 代碼

如果使用 Xcode，系統(tǒng)會自動完成這些。我們現(xiàn)在需要手動編譯和連接一個簡單的 Swift "Hello world" ：

// hello.swiftprint("Hello, world!");

$ $SDK/usr/bin/swiftc -emit-object hello.swift

$ nm hello_swift.o
                 U __TFSSCfMSSFT21_builtinStringLiteralBp8byteSizeBw7isASCIIBi1__SS
                 U __TFSs27_allocateUninitializedArrayurFBwTGSaq__Bp_
                 U __TFSs5printFTGSaP__9separatorSS10terminatorSS_T_
                 U __TIFSs5printFTGSaP__9separatorSS10terminatorSS_T_A0_
                 U __TIFSs5printFTGSaP__9separatorSS10terminatorSS_T_A1_
0000000000000140 S __TMLP_
0000000000000100 S __TMaP_
                 U __TMdSS
                 U __TZvOSs7Process11_unsafeArgvGVSs20UnsafeMutablePointerGS0_VSs4Int8__
                 U __TZvOSs7Process5_argcVSs5Int32
                 U _globalinit_33_1BDF70FFC18749BAB495A73B459ED2F0_func6
                 U _globalinit_33_1BDF70FFC18749BAB495A73B459ED2F0_token6
0000000000000000 T _main
                 U _swift_getExistentialTypeMetadata
                 U _swift_once

看吧，這非常有趣。Swift mangles symbols 看起來明顯有點(diǎn)像 C++。事實(shí)上，print 函數(shù)并沒有成為_print symbol ，但是成為了更復(fù)雜的 symbol 的 __TFSs5printFTGSaP__9separatorSS10terminatorSS_T_ 列表。

同時也要求其他 symbols，主要是為了處理字符串轉(zhuǎn)換和內(nèi)存處理。

無論如何，所有這些 symbols 已經(jīng)在 libswiftCore.dylib 定義，也出現(xiàn)在 $SDK。我們現(xiàn)在要把這些信息給 linker：

$ ld -arch x86_64 -o hello hello.o
     -L$SDK/usr/lib/swift/macosx
     -lSystem -lswiftCore
 
$ DYLD_LIBRARY_PATH=$SDK/usr/lib/swift/macosx ./hello
Hello, world!

是的，這個方法是可行的。

適配 Android

現(xiàn)在最大的問題是 SwiftCore 庫缺失?，F(xiàn)在蘋果已經(jīng)為 iOS，OS X 和 Watch OS 都提供了一個。但是，很明顯，并沒有提供 Android 版本。

但是，不是所有 Swift 代碼都要求 SwiftCore 庫，跟不是所有 C++ 代碼都要求 STL 一樣。所以只要使用 Swift 的子集，不需要 SwiftCore 的那部分，這問題就算解決了。

為了演示，我們先來一個簡單的：

// add.swiftfunc addTwoNumbers(first: UInt8, second: UInt8) -> UInt8 {
  return first + second}

所以這過程基本分為 3 個步驟：

1. 讓 Swift 編譯器生成一些 LLVM-IR

2. 使用 LLVM 從中間表示的代碼生成 ARM ELF 

3. 使用 Android NDK 來生成一個二進(jìn)制代碼，連接到已生成的對象文件

1. 讓 Swift 編譯器生成一些 LLVM-IR

在之前的步驟中，當(dāng)運(yùn)行 swiftc hello.swift，Swift 編譯器實(shí)際在干兩件事情： 

1. 從 Swift 代碼中生成 LLVM 中間表示代碼

2. 轉(zhuǎn)換 IR 為一些 x86_64 機(jī)器代碼，打包為一個 Mach-O 文件

這個實(shí)際上是非常常用的事例，所以編譯器可以一次性做完這些。但是我們想要生成一些 ARM ELF 文件 (在 Android 上使用的二進(jìn)制格式文件)。

$SDK/usr/bin/swiftc
  -parse-as-library # We don't need a "main" function
  -target armv7-apple-ios9.0
  -emit-ir
  add.swift
  | grep -v "^!" # Filter-out iOS metadata
  > add.ll

注意：我們需要添加 "grep" 過濾器來移除一些  iOS 特定的元數(shù)據(jù)（Swift 編譯器加進(jìn)去的） 。

2. 從 LLVM-IR 中生成一個對象文件

在這點(diǎn)上，我們需要 Android NDK。非常幸運(yùn)的是已經(jīng)包括了一個 LLVM 工具鏈，我們可以利用  llc(LLVM static compiler) ：

$NDK/toolchains/llvm-3.5/prebuilt/darwin-x86_64/bin/llc
  -mtriple=armv7-none-linux-androideabi
  -filetype=obj
  add.ll

非常棒，所以我們已經(jīng)構(gòu)建了一個 ARM ELF 對象文件！

3. 打包一個 Android 應(yīng)用的對象文件

我們需要從 Java 中調(diào)用它，所以需要一個 JNI bridge。這使用 C 來編寫非常簡單：

// jni-bridge.c// Let's work around Swift symbol mangling#define SWIFT_ADD _TF3add13addTwoNumbersFTVSs5UInt86secondS0__S0_uint8_t SWIFT_ADD(uint8_t, uint8_t);jstring jni_bridge(JNIEnv * env, jobject thiz ) {
  uint8_t a = 123;
  uint8_t b = 45;
  uint8_t c = SWIFT_ADD(a,b);
 
  char result[255];
  sprintf(result, "The result is %d", c);
 
  return (*env)->NewStringUTF(env, result);}

$NDK_GCC/bin/arm-linux-androideabi-ld
  add.o
  jni_bridge.o
  -shared # Build a shared library
  -lc # We'll need the libc
  -L$NDK/platforms/android-13/arch-arm/usr/lib

總結(jié)

這非常有趣，但是并沒有什么用：

• 一般來講，NDK 只是對一小部分的應(yīng)用有意義，所以情況的 Google 反對使用 NDK 編寫整個 Android 應(yīng)用。

• 而且，因?yàn)槲覀內(nèi)笔?SwiftCore 庫，所以有了一定的限制，只適用于一小部分的 Swift 子集。

最后，很重要的一點(diǎn)，這個示例已經(jīng)放到了 GitHub。

via romain.goyet.com