使用Clang作為編譯器 —— Assembling a Complete Toolchain

裝配一個完整的工具鍊

• • • 1. 介紹
    • 2. 工具
    • • • 2.1 Clang 前端
        • 2.2 其他語言的語言前端
        • 2.3 彙編器
        • 2.4 連結器
    • 3. 運作時庫
    • • • 3.1 編譯器運作時(Compiler runtime)
        • 3.2 原子庫(Atomics library)
        • 3.3 Unwind 庫
        • 3.4 Sanitizer 運作時
        • 3.5 C 标準庫
        • 3.6 C++ ABI 庫
        • 3.7 C++ 标準庫

本文為譯文，點選 此處檢視原文。

1. 介紹

Clang 隻是 C 家族程式設計語言完整工具鍊(tool chain)中的一個元件。為了裝配一個完整的工具鍊，需要額外的工具和運作時庫。Clang 被設計為與用于其目标平台的現有工具和庫進行互動操作，并且 LLVM 項目為許多這些元件提供了替代方案。

本文檔描述了完整工具鍊中所需的和可選的元件，在哪裡可以找到它們，以及每個選項支援的版本和限制。

警告

本文檔目前描述了使用 GCC-compatible 的

clang

驅動程式在類 POSIX 作業系統上的 Clang 配置。當使用 MSVC-compatible 的

clang-cl

驅動程式在目标系統Windows上時，有些細節是不同的。

2. 工具

C 家族程式設計語言的完整編譯通常涉及以下工具管道，其中一些在某些編譯中被省略：

• 預處理器(Preprocessor)

  ：執行 C 預處理器的操作：展開

  #include

  和

  #defines

  。

  -E

  标志訓示 Clang 在此步驟之後停止。

• 解析(Parsing)

  ：根據輸入，解析和語義分析源語言，并建構一個源代碼級中間表示(“AST”)，生成預編譯頭檔案(precompiled header，PCH)、序言(preamble)或預編譯子產品檔案(precompiled module file，PCM)。

  -precompile

  标志訓示 Clang 在此步驟之後停止。當輸入是一個頭檔案時，這是預設值。

• IR生成(IR generation)

  ：将源代碼級中間表示轉換為一個特定于優化器(optimizer)的中間表示(IR)；對于 Clang，這是LLVM IR。

  -emit-llvm

  标志訓示 Clang 在此步驟之後停止。如果與

  -S

  結合，Clang 将産生文本形式的 LLVM IR；否則，将産生 LLVM IR 位元組碼。

• 編譯器後端(Compiler backend)

  ：這将中間表示轉換為特定于目标的彙編代碼。

  -S

  标志訓示 Clang 在此步驟之後停止。

• 彙編器(Assembler)

  ：将特定于目标的彙編代碼轉換為特定于目标的機器碼目标檔案。

  -c

  标志訓示 Clang 在此步驟之後停止。

• 連結器(Linker)

  ：它将多個目标檔案組合成一個映像（一個共享對象或一個可執行檔案）。

Clang提供了除連結器之外的所有這些部分。當同一工具執行多個步驟時，通常将這些步驟合并在一起，以避免建立中間檔案。

當給定上述步驟之一的輸出作為輸入時，将跳過前面的步驟（例如，輸入一個

.s

檔案将會進行彙編和連結）。

可以使用

-###

标記（在大多數 shell 中需要轉義這個參數）調用 Clang 驅動程式，以檢視将為上述步驟運作哪些指令，在不運作這些指令的情況下。除了運作指令外，

-v

(verbose)标志還将列印指令。

2.1 Clang 前端

Clang 前端(

clang -cc1

)用于編譯 C 家族語言。前端的指令行接口被認為是一個實作細節，故意沒有外部文檔，并且可以在不注意的情況下進行更改。

2.2 其他語言的語言前端

Clang可以提供用非 C 家族語言編寫的輸入。在這種情況下，将使用一個外部工具編譯輸入。目前支援的語言有：

• Ada (

  -x ada

  、

  .ad[bs]

  )
• Fortran (

  -x f95

  、

  .f

  、

  .f9[05]

  、

  .for

  、

  .fpp

  、不區分大小寫)
• Java (

  -x java

  )

在每種情況下，都會調用 GCC 來編譯輸入。

2.3 彙編器

Clang 既可以使用 LLVM 的內建彙編器，也可以使用外部特定于系統的工具（例如，GNU 作業系統上的 GNU 彙編器），以從彙編代碼生成機器碼。預設情況下，Clang 在支援 LLVM 的所有目标上使用 LLVM 的內建彙編器。如果想使用系統彙編器，請使用

-fno-integrated-as

選項。

2.4 連結器

Clang可以配置為使用幾個不同的連結器其中一個：

• GNU ld

• GNU gold

• LLVM lld

• MSVC link.exe

lld 原生支援連結時優化，使用 gold 時通過一個連結器插件以支援連結時優化。

預設連結器在不同的目标之間是不同的，可以通過

-fuse-ld=<linker name>

标志覆寫它。

3. 運作時庫

需要許多不同的運作時庫來為 C 家族程式提供不同的支援層。Clang 将隐式地連結每個運作時庫的一個适當實作，這些實作是根據目标預設值選擇的，或者由

--rtlib=

和

--stdlib=

标志顯式地選擇。

隐式連結庫的集合依賴于語言模式。是以，在連結 C++ 程式時應該使用

clang++

，以確定提供了 C++ 運作時。

注意

對于這些元件，可能存在下面沒有描述的其他實作。請讓我們知道這些其他實作與 Clang 的工作效果如何，以便将它們添加到這個清單中！

3.1 編譯器運作時(Compiler runtime)

編譯器運作時庫提供編譯器隐式調用的函數的定義，以支援底層硬體不支援的操作(例如，128位整數乘法)，以及認為操作的内聯展開不合适的地方。

預設的運作時庫是特定于目标的。對于 GCC 是主要編譯器的目标，Clang 目前預設使用

libgcc_s

。在大多數其他目标上，預設情況下使用

compiler-rt

。

• compiler-rt (LLVM)

  LLVM的編譯器運作時庫提供了一組完整的運作時庫函數，其中包含 Clang 将隐式調用的所有函數，在

  libclang_rt.builtins.<arch>.a

  中。

  您可以訓示 Clang 使用帶有

  --rtlib=compiler-rt

  标志的

  compiler-rt

  ，并非所有平台都支援此功能。

  如果使用

  libc++

  和/或

  libc++abi

  ，您可能需要将它們配置為使用

  compiler-rt

  而不是

  libgcc_s

  ，方法是将

  -DLIBCXX_USE_COMPILER_RT=YES

  和/或

  -DLIBCXXABI_USE_COMPILER_RT=YES

  傳遞給

  cmake

  。否則，您可能會将兩個運作時庫連結到您的程式中（這通常是無害的，但很浪費）。

• libgcc_s (GNU)

  GCC的運作時庫可以用來代替

  compiler-rt

  。但是，它缺少幾個LLVM可能發出引用的函數，特别是在使用Clang的内置函數家族的

  __builtin_*_overflow

  時。

  您可以訓示 Clang 使用帶有

  --rtlib=libgcc

  标志的

  libgcc_s

  ，并非所有平台都支援此功能。

3.2 原子庫(Atomics library)

如果您的程式使用了原子操作，編譯器無法直接降低他們到機器指令（因為沒有合适的機器指令或操作數不知道适當對齊），将會生成對一個運作時庫

__atomic_*

函數的一次調用。這些程式需要一個包含這些原子函數的運作時庫。

• compiler-rt (LLVM)

  compiler-rt 包含一個原子庫的實作。

• libatomic (GNU)

  libgcc_s 不提供原子庫的實作。相反，GCC 的 libatomic library 可以在使用 libgcc_s 時提供這些原子庫。

注意

當使用

libgcc_s

時，Clang目前不會自動連結到

libatomic

。在使用非本機原子操作時（如果您看到引用了

__atomic_*

函數的連結錯誤），可能需要手動添加

-latomic

來支援此配置。

3.3 Unwind 庫

unwind

庫提供了一系列

_Unwind_*

函數，實作了

Itanium C++ ABI

(第I級)的語言無關的堆棧unwind部分，它是 C++ ABI 庫的依賴項，有時是其他運作時的依賴項。

• libunwind (LLVM)

  LLVM 的 unwinder 庫是 llvm-project git 存儲庫的一部分。要建構它，請将

  -DLLVM_ENABLE_PROJECTS=libunwind

  傳遞給 cmake 調用。

  如果使用

  libc++abi

  ，您可能需要将其配置為使用

  libunwind

  而不是

  libgcc_s

  ，方法是将

  -DLIBCXXABI_USE_LLVM_UNWINDER=YES

  傳遞給 cmake。如果将

  libc++abi

  配置為使用某個版本的

  libunwind

  ，則該庫将會被隐式連結到二進制檔案，這些二進制檔案連結到libc++abi。

• libgcc_s (GNU)

  libgcc_s 有一個內建的 unwinder，不需要提供外部的 unwind 庫。

• libunwind (nongnu.org)

  這是 libunwind 規範的另一個實作。請參閱 libunwind (nongnu.org)。

• libunwind (PathScale)

  這是 libunwind 規範的另一個實作。請參閱 libunwind (pathscale)。

3.4 Sanitizer 運作時

Clang 的

sanitizers

(-fsanitize=…)添加的工具隐式地調用一個運作時庫，以便維護程式執行的側狀态，并在檢測到問題時發出診斷消息。

這些運作時的唯一支援實作由 LLVM 的

compiler-rt

提供，以及這個庫(

libclang_rt.<sanitizer>.<arch>.a

) 的相關部分将會被連結當使用一個

-fsanitize=...

标志連結時。

3.5 C 标準庫

Clang 支援多種 C 标準庫實作。

3.6 C++ ABI 庫

C++ ABI 庫

提供了

Itanium C++ ABI

庫部分的實作，包括 main Itanium c++ ABI文檔中的支援功能和異常處理支援的 Level II。在編譯 C++ 代碼時，Clang 隐式地生成對這個庫中函數和對象的引用。

雖然有可能使用

libstdc++

連結 C++ 代碼和使用

libc++

連結代碼一起到相同的程式(隻要你不要試圖通過 C++ 标準庫對象的邊界)，它通常在一個程式不大可能有超過一個 C++ ABI 庫。

Clang 使用的 C++ ABI 庫的版本将是所選 C++ 标準庫所連結的版本。有幾種實作可用：

• libc + + abi (LLVM)

  libc++abi 是 LLVM 對該規範的實作。

• libsupc++ (GNU)

  libsupc++

  是 GCC 對該規範的實作。但是，隻有在靜态連結

  libstdc++

  時才使用這個庫。

  libstdc++

  的動态庫版本包含

  libsupc++

  的一個副本。

  注意

  當靜态連結

  libstdc++

  時，Clang目前不會自動連結到

  libatomic

  。在使用

  -static

  或

  -static-libstdc++

  時，可能需要手動添加

  -lsupc++

  來支援此配置。

• libcxxrt (PathScale)

  這是 Itanium C++ ABI 規範的另一個實作。請參閱 libcxxrt。

3.7 C++ 标準庫

Clang 支援使用 LLVM 的

libc++

或 GCC 的

libstdc++

C++标準庫實作。

• libc++ (LLVM)

  libc++ 是 LLVM 的 C++ 标準庫實作，旨在從 C++ 11 開始成為全面的 C++ 标準實作。

  您可以訓示 Clang 用

  -stdlib=libc++

  标志來使用 libc++。

• libstdc++ (GNU)

  libstdc++ 是 GCC 的 C++ 标準庫實作。Clang 支援各種版本的 libstdc++，從4.2版本開始，并将隐式地處理舊版本libstdc++中的一些bug。

  您可以訓示 Clang 用

  -stdlib=libstdc++

  标志來使用 libstdc++。