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IR(Intermediate Representation)

IR(Intermediate Representation)은 소스 코드를 표현하기 위해 컴파일러 또는 가상 시스템에서 내부적으로 사용하는 데이터 구조 또는 코드입니다.
IR은 최적화와 번역 등 추가 처리를 위해 도움이 되도록 설계되었습니다.
IR중 우수한 IR은 정보의 손실 없이 소스코드를 나타낼수 있고, 특정 소스, 대상언어와 무관하게 소스 코드를 나타낼 수 있습니다.
IR은 다음과 같은 여러 가지 형태가 있습니다.
- 메모리 내 데이터 구조
- 프로그램이 읽을 수 있는 특별한 튜플 또는 스택 기반 코드(중간 언어,Intermediate language)

Intermediate language

중간 언어는 컴퓨터 프로그램의 분석을 돕기위해 설계된 추상적 기계 언어입니다.
프로그램의 소스코드가 대상 기계의 오브젝트 또는 기계 코드를 생성하기 전에 변환을 개선하는 코드에 더 적합한 형식으로 변환합니다.
중간 언어의 설계는 일반적으로 3가지 기본적인 방법으로 실용적인 기계어 언어와 다릅니다.
- 각 명령은 하나의 기본 동작을 나타냅니다.
- 제어 흐름 정보는 명령 집합에 포합되지 않을 수 있습니다.
- 사용 가능한 프로세서 레지스터 수는 크기가 크거나 무제한 될 수 있습니다.
중간 언어의 일반적인 형식은 Three-address code(TAC or 3AC) 입니다.

물리적인 컴퓨터 자체나 프로그램 언어 같은 기능까지 포함하며, 컴퓨터 시스템의 기능을 추상화한 모델 기계.

Three-address code

Three-address code는 TAC 또는 3AC 으로 표시하기도 합니다.
TAC는 향상된 코드 변환을 위해 컴파일러의 최적화하는데 사용되는 중간 코드(intermediate code) 입니다.
각 TAC 명령어는 최대 세 개의 피연산자를 가지며 일반적으로 대입 연산자와 이진 연산자를 조합합니다.
TAC는 컴파일러에서 중간언어로 사용되므로, 피연산자는 구체적인 메모리 주소나 프로세서 레지스터가 아니라 레지스터 할당 중 실제 주소로 변환될 수 있는 기호적 주소를 의미합니다.

Example

"x = (a + b * c) / 2" 연산이 다음과 같은 형태로 구현됩니다.

t1 := b * c
t2 := a + t1
t3 := t2 / 2
x := t3

아래 코드가 다음과 같은 형태로 구현됩니다.

for(i = 0; i < 100; i++){
	val[i] = i;
}

     t1 := 0
L1:  if t1 >= 100 goto L2
     t2 := t1 * 4
     t3 := val + t2
     *t3 := t1
     t1 := t1 + 1
     goto L1
L2:

Intermediate Representation

QEMU의 TCG(Tiny code generator)

TCG는 QEMU에서 실행할 바이너리를 TCG를 이용해 IR(Intermediate Representation) 코드변환하는 코드 생성기 입니다.
TCG에 의해 생성된 바이트 코드를 TCL을 이용해 실행 함으로써 거의 모든 아키텍처의 실행을 지원할 수 있습니다.
QEME에서 지원가능한 아키텍처
- arm, i386, ia64, ppc, ppc64, s390, sparc, x86_64

Valgrind의 VEX

VEX는 TCG와 비슷하게 거의 모든 아키텍처를 지원하며, 여러 기계 언어의 표현이 가능합니다.
VEX IR에 중요한 클래스의 객체는 다음과 같습니다.
- Expressions
- Operations
- Temporary variables.
- Statements
- Blocks

Example

다음과 같이 프로그램 분석을 쉽게하기 위해 기계코드의 표현을 추상화합니다.

subs R2, R2, #8

t0 = GET:I32(16)
t1 = 0x8:I32
t3 = Sub32(t0,t1)
PUT(16) = t3
PUT(68) = 0x59FC8:I32

https://docs.angr.io/docs/ir.html

LLVM(Low Level Virtual Machine) IR:

LLVM 의 IR은 가볍고 Low-level의 표현과 형태 및 확장성을 동시에 유지 합니다.
LLVM IR은 고정된 이름의 레지스터 세트를 사용하지 한고 % 문자를 이용해 임시 테이블 세트를 표현합니다.
LLVM 은 다음과 같은 작업을 지원합니다.
- C 코드로 IR 생성
- IR을 이용해 기계 코드 생성
- 자동 최적화

Example

다음과 같이 IR을 생성할 수 있습니다.

$ sudo aptitude install llvm clang

int sample(int a,int b) {
    	return a*b;
}

lazenca0x0@ubuntu:~$ cat sample.ll 
; ModuleID = 'test.c'
target datalayout = "e-m:e-i64:64-f80:128-n8:16:32:64-S128"
target triple = "x86_64-pc-linux-gnu"

; Function Attrs: norecurse nounwind optsize readnone uwtable
define i32 @sample(i32 %a, i32 %b) #0 {
  %1 = mul nsw i32 %b, %a
  ret i32 %1
}

attributes #0 = { norecurse nounwind optsize readnone uwtable "disable-tail-calls"="false" "less-precise-fpmad"="false" "no-frame-pointer-elim"="false" "no-infs-fp-math"="false" "no-nans-fp-math"="false" "stack-protector-buffer-size"="8" "target-cpu"="x86-64" "target-features"="+fxsr,+mmx,+sse,+sse2" "unsafe-fp-math"="false" "use-soft-float"="false" }

!llvm.ident = !{!0}

!0 = !{!"clang version 3.8.0-2ubuntu4 (tags/RELEASE_380/final)"}
lazenca0x0@ubuntu:~$

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IR(Intermediate Representation)

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Three-address code

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QEMU의 TCG(Tiny code generator)

Valgrind의 VEX

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