Java Hello World, LLVM Edition

Java Advent – LLVM を使って FFM API 経由で “Hello, World!” を作る

概要

• 目的: Java から LLVM IR を生成し実行して「Hello, World!」を出力する。
• ツール:
  • Java ≥ 22（FFM API）
  • LLVM 20+（共有ライブラリとヘッダー）

  • jextract

    – LLVM C API の Java バインディング生成
  • Maven – プロジェクト構築

前提条件

# Ubuntu/Debian に LLVM 20 をインストール
wget https://apt.llvm.org/llvm.sh
chmod +x llvm.sh
./llvm.sh 20

libLLVM-20.so

とヘッダーが

/usr/include/llvm-c-20

にあることを確認してください。

プロジェクト設定

mvn archetype:generate \
    -DgroupId=com.example \
    -DartifactId=jvm-llvm-helloworld \
    -DarchetypeArtifactId=maven-archetype-quickstart \
    -DinteractiveMode=false

pom.xml

<properties>
  <maven.compiler.source>25</maven.compiler.source>
  <maven.compiler.target>25</maven.compiler.target>
</properties>

スタートアップアプリをビルド＆実行して Java が動作することを確認します。

LLVM バインディングの生成

jextract を使用（JDK の

src.zip

jextract

jextract \
  -l LLVM-20 \
  -I /usr/include/llvm-c-20 \
  -I /usr/include/llvm-20 \
  -t com.example.llvm \
  --output src/main/java \
  --header-class-name LLVM \
  /usr/include/llvm-c-20/llvm-c/Core.h \
  /usr/include/llvm-c-20/llvm-c/Support.h \
  /usr/include/llvm-c-20/llvm-c/ExecutionEngine.h \
  /usr/include/llvm-c-20/llvm-c/Target.h \
  /usr/include/llvm-c-20/llvm-c/TargetMachine.h

バインディングが正しく生成されたかテスト：

public static void main(String[] args) {
    try (Arena arena = Arena.ofConfined()) {
        System.out.println("LLVM version: " + LLVM.LLVM_VERSION_STRING().getString(0));
    }
}

ネイティブアクセスフラグを付けて実行し、警告が出ないことを確認します。

モジュールの構築

try (Arena arena = Arena.ofConfined()) {
    // モジュール作成
    var module = LLVMModuleCreateWithName(arena.allocateFrom("hello"));

    // ---- 関数シグネチャ: int main() ----
    var int32Type   = LLVMInt32Type();
    var mainType    = LLVMFunctionType(int32Type, NULL, 0, 0);
    var mainFunc    = LLVMAddFunction(module,
                                      arena.allocateFrom("main"),
                                      mainType);

    // ---- エントリブロック ----
    var entry      = LLVMAppendBasicBlock(mainFunc, arena.allocateFrom("entry"));
    var builder    = LLVMCreateBuilder();
    LLVMPositionBuilderAtEnd(builder, entry);

    // ---- グローバル文字列 "Hello, World!" ----
    var helloStr   = LLVMBuildGlobalStringPtr(
                         builder,
                         arena.allocateFrom("Hello, World!"),
                         arena.allocateFrom("hello_str"));

    // ---- puts(char*) を宣言 ----
    var paramTypes = arena.allocate(ADDRESS, 1);
    var charPtr    = LLVMPointerType(LLVMInt8Type(), 0);
    paramTypes.set(ADDRESS, 0, charPtr);

    var putsType   = LLVMFunctionType(int32Type, paramTypes, 1, 0);
    var putsFunc   = LLVMAddFunction(module,
                                      arena.allocateFrom("puts"),
                                      putsType);

    // ---- puts(helloStr) を呼び出し ----
    var callArgs   = arena.allocate(ADDRESS, 1);
    callArgs.set(ADDRESS, 0, helloStr);
    LLVMBuildCall2(builder, putsType, putsFunc, callArgs,
                   1, arena.allocateFrom("puts"));

    // ---- return 0 ----
    LLVMBuildRet(builder, LLVMConstInt(int32Type, 0, 0));

    // ---- 生成した IR を表示（任意） ----
    var irPtr = LLVMPrintModuleToString(module);
    System.out.println(irPtr.getString(0));
    LLVMDisposeMessage(irPtr);

    // ---- 後始末 ----
    LLVMDisposeBuilder(builder);
    LLVMDisposeModule(module);
}

実行すると次のように IR が出力されます。

; ModuleID = 'hello'
source_filename = "hello"

@hello_str = private unnamed_addr constant [14 x i8] c"Hello, World!\00", align 1

define i32 @main() {
entry:
  %call0 = call i32 @puts(ptr @hello_str)
  ret i32 0
}

この IR を

lli

JIT コンパイル＆Java から実行

IR の生成直後、クリーンアップ前に以下を追加します：

// ---- LLVM JIT 初期化 (x86) ----
LLVMLinkInMCJIT();
LLVMInitializeX86Target();
LLVMInitializeX86TargetInfo();
LLVMInitializeX86TargetMC();
LLVMInitializeX86AsmPrinter();
LLVMInitializeX86AsmParser();

// ---- 実行エンジン作成 ----
var jit = arena.allocate(ADDRESS);
var errPtr = arena.allocate(ADDRESS);
LLVMCreateJITCompilerForModule(jit, module, 2, errPtr);

// エンジンと main のアドレス取得
var execEngine = jit.get(ADDRESS, 0);
var mainAddr   = LLVMGetPointerToGlobal(execEngine, mainFunc);

// ---- コンパイル済み関数へのメソッドハンドルを作成 ----
var mainHandle = Linker.nativeLinker().downcallHandle(
        mainAddr,
        FunctionDescriptor.of(JAVA_INT)); // 引数なし、int を返す

// ---- 呼び出し ----
int ret = (int) mainHandle.invoke();
System.out.println("main() returned: " + ret);

これでプログラムは次のように出力します。

Hello, World!
main() returned: 0

外部インタプリタを使わず、ネイティブマシンコードとして直接実行されます。

次のステップ

• 異なる LLVM 命令（算術演算、分岐など）を試す。
• Java だけでより大きなプログラムを生成する。
• ターゲットを ARM、macOS、Windows 等に変更して実行エンジンを切り替える。

• jextract

  を使って追加の LLVM モジュールや自前の C ライブラリをバインドする。