Swift源码编译与工具链定制

一、Swift 源码编译基础

1.1 环境准备

在开始编译 Swift 源码之前，需要确保系统具备相应的依赖环境。以 macOS 为例，首先要安装 Xcode，因为它包含了 Clang 编译器以及一些必要的开发工具。同时，Homebrew 是一个非常有用的包管理器，可用于安装其他依赖项。

通过 Homebrew 安装所需工具：

brew install cmake ninja llvm@11

对于 Linux 系统，比如 Ubuntu，安装依赖的命令如下：

sudo apt-get install cmake ninja-build clang-11 lldb-11 libicu-dev icu-devtools libbsd-dev libedit-dev \
    libxml2-dev libsqlite3-dev swig libpython3-dev libncurses5-dev pkg-config libblocksruntime-dev \
    libcurl4-openssl-dev autoconf libtool systemtap-sdt-dev tzdata

1.2 获取 Swift 源码

Swift 源码托管在 GitHub 上，可以通过克隆相应的仓库来获取。主要的仓库有 swift、swift-corelibs-libdispatch、swift-corelibs-foundation 等。

克隆 swift 仓库：

git clone https://github.com/apple/swift.git
cd swift

克隆其他相关仓库，例如 swift-corelibs-libdispatch：

git clone https://github.com/apple/swift-corelibs-libdispatch.git

1.3 配置编译

进入 Swift 源码目录后，使用 cmake 进行配置。这里以构建一个 Debug 版本为例：

mkdir build-debug
cd build-debug
cmake -G Ninja -DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug -DSWIFT_BUILD_TOOLS=ON -DSWIFT_SKIP_GCC_SWIFTOBJC=ON \
    -DSWIFT_ENABLE_SIL_SERIALIZATION=ON -DSWIFT_ENABLE_TENSORFLOW=OFF -DLLVM_TARGETS_TO_BUILD="host" \
    -DLLVM_ENABLE_PROJECTS="clang;lldb;lld;compiler-rt" -DLLVM_EXTERNAL_CLANG_SOURCE_DIR=$(brew --prefix llvm@11)/share/clang \
    -DLLVM_EXTERNAL_LIT=$(brew --prefix llvm@11)/bin/llvm-lit -DLLVM_ENABLE_ASSERTIONS=ON \
    -DLLVM_ENABLE_RTTI=ON -DSWIFT_USE_LLVM_SHLIB=ON -DSWIFT_FORCE_SINGLE_THREAD=ON \
    -DCMAKE_EXPORT_COMPILE_COMMANDS=ON ../

上述命令中，-G Ninja 表示使用 Ninja 构建系统，-DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug 定义了构建类型为调试版，-DSWIFT_BUILD_TOOLS=ON 表示构建 Swift 工具链，-DSWIFT_SKIP_GCC_SWIFTOBJC=ON 跳过与 GCC 相关的 Swift 与 Objective - C 桥接部分，-DSWIFT_ENABLE_SIL_SERIALIZATION=ON 启用 Swift 中间语言（SIL）序列化等。

二、执行编译过程

2.1 开始编译

配置完成后，使用 Ninja 进行编译：

ninja

编译过程可能会持续较长时间，具体取决于机器性能。编译过程中会输出详细的构建信息，如果遇到错误，需要根据错误提示进行排查。例如，如果缺少某个依赖库，会提示找不到相应的头文件或链接错误。

2.2 常见编译错误及解决

1. 缺少依赖库错误：如 fatal error: 'icu/icuuc.h' file not found，这表明缺少 ICU 库。在 macOS 上可以通过 brew install icu4c 安装，在 Ubuntu 上通过 sudo apt-get install libicu-dev 安装。
2. 链接错误：例如 undefined reference to symbol '__cxa_throw_bad_array_new_length@@GLIBCXX_3.4.21'，这种情况可能是因为链接的库版本不兼容。可以尝试更新相关库或者调整链接顺序。
3. 构建系统相关错误：如 CMake Error: The source directory "/path/to/swift/build-debug" does not appear to contain CMakeLists.txt.，这通常是因为 cmake 命令执行的目录不正确，确保在正确的构建目录下执行 cmake 配置。

三、Swift 工具链定制基础

3.1 工具链概念

Swift 工具链是一组用于开发、编译和调试 Swift 程序的工具集合，包括编译器（swiftc）、包管理器（swift - package）、调试器（lldb）等。定制工具链意味着根据特定需求对这些工具进行修改或扩展。

3.2 工具链结构

在编译完成后，生成的工具链位于构建目录下的 bin 目录。例如，在上述构建的 build - debug/bin 目录中，可以找到 swiftc、swift - package 等工具。

ls build-debug/bin

这些工具依赖于相关的库文件，库文件通常位于构建目录的 lib 目录，如 build - debug/lib/swift 目录下包含了 Swift 标准库等。

四、定制编译器（swiftc）

4.1 理解编译器架构

Swift 编译器采用多阶段架构，主要包括词法分析、语法分析、语义分析、中间代码生成（SIL）、优化以及目标代码生成。词法分析将输入的 Swift 代码转换为词法单元序列，语法分析基于词法单元构建语法树，语义分析检查语法树的语义正确性，SIL 生成中间表示，优化阶段对 SIL 进行优化，最后生成目标机器代码。

4.2 修改编译器行为

1. 添加自定义编译选项：假设要添加一个自定义编译选项 -Xcustom - flag，用于控制某个特定的编译行为。在 swift/include/swift/Option/Options.td 文件中定义新的选项：

def Xcustom_flag : Flag<"Xcustom-flag", "Enable custom flag">;

然后在 swift/lib/Parse/ParseOptions.cpp 文件中处理该选项：

#include "swift/Option/Options.td"
#include "swift/Parse/ParseOptions.h"
#include "llvm/Support/CommandLine.h"

using namespace swift;
using namespace llvm::cl;

static opt<bool> CustomFlag("Xcustom-flag", desc("Enable custom flag"), init(false));

void swift::handleCustomFlag() {
    if (CustomFlag) {
        // 在这里添加自定义的编译逻辑
        llvm::errs() << "Custom flag is enabled.\n";
    }
}

最后在适当的编译阶段调用 handleCustomFlag 函数，例如在语义分析阶段。

2. 修改代码生成：如果要修改目标代码生成逻辑，比如生成特定架构的优化代码。在 swift/lib/CodeGen/SILGenFunction.cpp 文件中，找到与目标代码生成相关的函数，例如 emitFunction 函数。在该函数中，可以根据自定义需求修改生成的代码。

void SILGenFunction::emitFunction() {
    // 原始代码生成逻辑
    // 在这里添加自定义的代码生成逻辑，例如：
    if (isCustomArch()) {
        // 为自定义架构生成特定优化代码
        llvm::errs() << "Generating custom optimized code for custom arch.\n";
    }
    // 继续原始代码生成逻辑
}

五、定制包管理器（swift - package）

5.1 包管理器功能剖析

Swift 包管理器用于管理 Swift 项目的依赖、构建和分发。它基于 Package.swift 文件来定义项目的结构、依赖关系等。主要功能包括依赖解析、构建管理以及发布包。

5.2 扩展包管理器功能

1. 添加自定义命令：假设要添加一个自定义命令 custom - command，用于执行特定的项目相关操作，比如生成项目文档。在 swift - package-manager/Sources/Commands 目录下创建一个新的文件 CustomCommand.swift：

import Foundation
import PackageModel
import Utility

struct CustomCommand: ParsableCommand {
    static var configuration = CommandConfiguration(
        commandName: "custom-command",
        abstract: "Execute a custom command for the project"
    )

    func run() throws {
        // 自定义命令逻辑，例如生成文档
        let outputPath = "docs"
        try FileManager.default.createDirectory(atPath: outputPath, withIntermediateDirectories: true)
        let docContent = "This is a custom generated document for the project."
        try docContent.write(toFile: "\(outputPath)/project_doc.txt", atomically: true, encoding:.utf8)
        print("Custom command executed successfully. Document generated at \(outputPath)/project_doc.txt")
    }
}

然后在 swift - package-manager/Sources/Commands/Command.swift 文件中注册新命令：

// 现有命令注册
let commands: [any ParsableCommand.Type] = [
    BuildCommand.self,
    // 新命令注册
    CustomCommand.self
]

这样，在项目目录下执行 swift package custom - command 就可以执行自定义命令。

2. 修改依赖解析逻辑：如果要自定义依赖解析逻辑，比如优先从特定的镜像源获取依赖包。在 swift - package-manager/Sources/PackageLoading/Resolver.swift 文件中，修改 resolve 函数。假设自定义的镜像源地址为 https://custom - mirror.com：

func resolve(_ requirements: [Package.Dependency],
             packageGraph: inout PackageGraph,
             context: ResolverContext) throws {
    for requirement in requirements {
        let url = try requirement.url
        // 修改为从自定义镜像源获取
        var customURLComponents = URLComponents(url: url, resolvingAgainstBaseURL: true)
        customURLComponents?.scheme = "https"
        customURLComponents?.host = "custom - mirror.com"
        guard let customURL = customURLComponents?.url else {
            throw ResolverError.invalidDependencyURL(requirement)
        }
        let package = try resolvePackage(customURL, requirement: requirement, context: context)
        try packageGraph.add(package)
    }
}

六、集成定制工具链

6.1 安装定制工具链

将定制后的工具链安装到系统路径中，以便系统能够找到并使用。在构建目录下执行：

sudo ninja install

这会将 build - debug/bin 目录下的工具和 build - debug/lib 目录下的库文件安装到系统默认的安装路径（通常是 /usr/local/bin 和 /usr/local/lib）。

6.2 在项目中使用

在 Swift 项目中使用定制工具链，需要确保项目环境能够找到该工具链。可以通过设置 PATH 环境变量来优先使用定制工具链。

export PATH=/usr/local/bin:$PATH

对于 Xcode 项目，可以在项目设置中指定使用的 Swift 工具链。在 Xcode 中，打开项目设置，选择 Build Settings，在 Toolchain 选项中选择自定义的工具链。

七、测试定制工具链

7.1 单元测试

1. 编译器单元测试：Swift 编译器自带了一套单元测试框架。在构建目录下，可以找到 test 目录，其中包含了各种测试用例。例如，要测试添加的自定义编译选项 -Xcustom - flag，可以在 test/Parse 目录下创建一个新的测试文件 CustomFlagParseTest.swift：

import XCTest
import Basic
import SPMTestSupport
import Utility

final class CustomFlagParseTest: XCTestCase {
    func testCustomFlag() {
        let input = """
        // Some Swift code here
        """
        let output = try! buildSource(input, arguments: ["-Xcustom-flag"])
        XCTAssertTrue(output.contains("Custom flag is enabled."))
    }
}

然后在构建目录下执行 ninja check - swift 来运行测试。

2. 包管理器单元测试：包管理器的单元测试位于 swift - package - manager/Tests 目录。例如，要测试添加的自定义命令 custom - command，可以在 swift - package - manager/Tests/Commands 目录下创建一个新的测试文件 CustomCommandTests.swift：

import XCTest
import Utility
import SPMTestSupport
import PackageDescription
import PackageLoading

final class CustomCommandTests: XCTestCase {
    func testCustomCommand() throws {
        let projectPath = try temporaryDirectory()
        try write(package: Package(
            name: "TestPackage",
            targets: []
        ), to: projectPath.appending(component: "Package.swift"))
        let result = try runCommand(
            ["custom-command"],
            in: projectPath
        )
        XCTAssertTrue(result.stderr.contains("Custom command executed successfully."))
    }
}

在 swift - package - manager 目录下执行 swift test 来运行包管理器的单元测试。

7.2 集成测试

1. 创建测试项目：创建一个简单的 Swift 项目，在 Package.swift 文件中定义依赖关系，并使用自定义工具链的功能。例如，使用自定义命令 custom - command 生成文档：

// swift-tools-version:5.5
import PackageDescription

let package = Package(
    name: "TestProject",
    dependencies: [
        // 定义依赖
    ],
    targets: [
        .target(
            name: "TestProject",
            dependencies: []
        )
    ]
)

2. 执行集成测试：在项目目录下，使用定制工具链进行构建、运行自定义命令等操作，检查是否按照预期工作。例如：

swift package custom - command
swift build

检查生成的文档是否存在，项目是否成功构建等。

通过以上详细的步骤和代码示例，完成了 Swift 源码编译以及工具链定制，并对定制后的工具链进行了测试，确保其能够满足特定的开发需求。