使用Clang作为编译器 —— Assembling a Complete Toolchain

装配一个完整的工具链

• • • 1. 介绍
    • 2. 工具
    • • • 2.1 Clang 前端
        • 2.2 其他语言的语言前端
        • 2.3 汇编器
        • 2.4 链接器
    • 3. 运行时库
    • • • 3.1 编译器运行时(Compiler runtime)
        • 3.2 原子库(Atomics library)
        • 3.3 Unwind 库
        • 3.4 Sanitizer 运行时
        • 3.5 C 标准库
        • 3.6 C++ ABI 库
        • 3.7 C++ 标准库

本文为译文，点击 此处查看原文。

1. 介绍

Clang 只是 C 家族编程语言完整工具链(tool chain)中的一个组件。为了装配一个完整的工具链，需要额外的工具和运行时库。Clang 被设计为与用于其目标平台的现有工具和库进行交互操作，并且 LLVM 项目为许多这些组件提供了替代方案。

本文档描述了完整工具链中所需的和可选的组件，在哪里可以找到它们，以及每个选项支持的版本和限制。

警告

本文档目前描述了使用 GCC-compatible 的

clang

驱动程序在类 POSIX 操作系统上的 Clang 配置。当使用 MSVC-compatible 的

clang-cl

驱动程序在目标系统Windows上时，有些细节是不同的。

2. 工具

C 家族编程语言的完整编译通常涉及以下工具管道，其中一些在某些编译中被省略：

• 预处理器(Preprocessor)

  ：执行 C 预处理器的操作：展开

  #include

  和

  #defines

  。

  -E

  标志指示 Clang 在此步骤之后停止。

• 解析(Parsing)

  ：根据输入，解析和语义分析源语言，并构建一个源代码级中间表示(“AST”)，生成预编译头文件(precompiled header，PCH)、序言(preamble)或预编译模块文件(precompiled module file，PCM)。

  -precompile

  标志指示 Clang 在此步骤之后停止。当输入是一个头文件时，这是默认值。

• IR生成(IR generation)

  ：将源代码级中间表示转换为一个特定于优化器(optimizer)的中间表示(IR)；对于 Clang，这是LLVM IR。

  -emit-llvm

  标志指示 Clang 在此步骤之后停止。如果与

  -S

  结合，Clang 将产生文本形式的 LLVM IR；否则，将产生 LLVM IR 字节码。

• 编译器后端(Compiler backend)

  ：这将中间表示转换为特定于目标的汇编代码。

  -S

  标志指示 Clang 在此步骤之后停止。

• 汇编器(Assembler)

  ：将特定于目标的汇编代码转换为特定于目标的机器码目标文件。

  -c

  标志指示 Clang 在此步骤之后停止。

• 链接器(Linker)

  ：它将多个目标文件组合成一个映像（一个共享对象或一个可执行文件）。

Clang提供了除链接器之外的所有这些部分。当同一工具执行多个步骤时，通常将这些步骤合并在一起，以避免创建中间文件。

当给定上述步骤之一的输出作为输入时，将跳过前面的步骤（例如，输入一个

.s

文件将会进行汇编和链接）。

可以使用

-###

标记（在大多数 shell 中需要转义这个参数）调用 Clang 驱动程序，以查看将为上述步骤运行哪些命令，在不运行这些命令的情况下。除了运行命令外，

-v

(verbose)标志还将打印命令。

2.1 Clang 前端

Clang 前端(

clang -cc1

)用于编译 C 家族语言。前端的命令行接口被认为是一个实现细节，故意没有外部文档，并且可以在不注意的情况下进行更改。

2.2 其他语言的语言前端

Clang可以提供用非 C 家族语言编写的输入。在这种情况下，将使用一个外部工具编译输入。目前支持的语言有：

• Ada (

  -x ada

  、

  .ad[bs]

  )
• Fortran (

  -x f95

  、

  .f

  、

  .f9[05]

  、

  .for

  、

  .fpp

  、不区分大小写)
• Java (

  -x java

  )

在每种情况下，都会调用 GCC 来编译输入。

2.3 汇编器

Clang 既可以使用 LLVM 的集成汇编器，也可以使用外部特定于系统的工具（例如，GNU 操作系统上的 GNU 汇编器），以从汇编代码生成机器码。默认情况下，Clang 在支持 LLVM 的所有目标上使用 LLVM 的集成汇编器。如果想使用系统汇编器，请使用

-fno-integrated-as

选项。

2.4 链接器

Clang可以配置为使用几个不同的链接器其中一个：

• GNU ld

• GNU gold

• LLVM lld

• MSVC link.exe

lld 原生支持链接时优化，使用 gold 时通过一个链接器插件以支持链接时优化。

默认链接器在不同的目标之间是不同的，可以通过

-fuse-ld=<linker name>

标志覆盖它。

3. 运行时库

需要许多不同的运行时库来为 C 家族程序提供不同的支持层。Clang 将隐式地链接每个运行时库的一个适当实现，这些实现是根据目标默认值选择的，或者由

--rtlib=

和

--stdlib=

标志显式地选择。

隐式链接库的集合依赖于语言模式。因此，在链接 C++ 程序时应该使用

clang++

，以确保提供了 C++ 运行时。

注意

对于这些组件，可能存在下面没有描述的其他实现。请让我们知道这些其他实现与 Clang 的工作效果如何，以便将它们添加到这个列表中！

3.1 编译器运行时(Compiler runtime)

编译器运行时库提供编译器隐式调用的函数的定义，以支持底层硬件不支持的操作(例如，128位整数乘法)，以及认为操作的内联展开不合适的地方。

默认的运行时库是特定于目标的。对于 GCC 是主要编译器的目标，Clang 目前默认使用

libgcc_s

。在大多数其他目标上，默认情况下使用

compiler-rt

。

• compiler-rt (LLVM)

  LLVM的编译器运行时库提供了一组完整的运行时库函数，其中包含 Clang 将隐式调用的所有函数，在

  libclang_rt.builtins.<arch>.a

  中。

  您可以指示 Clang 使用带有

  --rtlib=compiler-rt

  标志的

  compiler-rt

  ，并非所有平台都支持此功能。

  如果使用

  libc++

  和/或

  libc++abi

  ，您可能需要将它们配置为使用

  compiler-rt

  而不是

  libgcc_s

  ，方法是将

  -DLIBCXX_USE_COMPILER_RT=YES

  和/或

  -DLIBCXXABI_USE_COMPILER_RT=YES

  传递给

  cmake

  。否则，您可能会将两个运行时库链接到您的程序中（这通常是无害的，但很浪费）。

• libgcc_s (GNU)

  GCC的运行时库可以用来代替

  compiler-rt

  。但是，它缺少几个LLVM可能发出引用的函数，特别是在使用Clang的内置函数家族的

  __builtin_*_overflow

  时。

  您可以指示 Clang 使用带有

  --rtlib=libgcc

  标志的

  libgcc_s

  ，并非所有平台都支持此功能。

3.2 原子库(Atomics library)

如果您的程序使用了原子操作，编译器无法直接降低他们到机器指令（因为没有合适的机器指令或操作数不知道适当对齐），将会生成对一个运行时库

__atomic_*

函数的一次调用。这些程序需要一个包含这些原子函数的运行时库。

• compiler-rt (LLVM)

  compiler-rt 包含一个原子库的实现。

• libatomic (GNU)

  libgcc_s 不提供原子库的实现。相反，GCC 的 libatomic library 可以在使用 libgcc_s 时提供这些原子库。

注意

当使用

libgcc_s

时，Clang当前不会自动链接到

libatomic

。在使用非本机原子操作时（如果您看到引用了

__atomic_*

函数的链接错误），可能需要手动添加

-latomic

来支持此配置。

3.3 Unwind 库

unwind

库提供了一系列

_Unwind_*

函数，实现了

Itanium C++ ABI

(第I级)的语言无关的堆栈unwind部分，它是 C++ ABI 库的依赖项，有时是其他运行时的依赖项。

• libunwind (LLVM)

  LLVM 的 unwinder 库是 llvm-project git 存储库的一部分。要构建它，请将

  -DLLVM_ENABLE_PROJECTS=libunwind

  传递给 cmake 调用。

  如果使用

  libc++abi

  ，您可能需要将其配置为使用

  libunwind

  而不是

  libgcc_s

  ，方法是将

  -DLIBCXXABI_USE_LLVM_UNWINDER=YES

  传递给 cmake。如果将

  libc++abi

  配置为使用某个版本的

  libunwind

  ，则该库将会被隐式链接到二进制文件，这些二进制文件链接到libc++abi。

• libgcc_s (GNU)

  libgcc_s 有一个集成的 unwinder，不需要提供外部的 unwind 库。

• libunwind (nongnu.org)

  这是 libunwind 规范的另一个实现。请参阅 libunwind (nongnu.org)。

• libunwind (PathScale)

  这是 libunwind 规范的另一个实现。请参阅 libunwind (pathscale)。

3.4 Sanitizer 运行时

Clang 的

sanitizers

(-fsanitize=…)添加的工具隐式地调用一个运行时库，以便维护程序执行的侧状态，并在检测到问题时发出诊断消息。

这些运行时的唯一支持实现由 LLVM 的

compiler-rt

提供，以及这个库(

libclang_rt.<sanitizer>.<arch>.a

) 的相关部分将会被链接当使用一个

-fsanitize=...

标志链接时。

3.5 C 标准库

Clang 支持多种 C 标准库实现。

3.6 C++ ABI 库

C++ ABI 库

提供了

Itanium C++ ABI

库部分的实现，包括 main Itanium c++ ABI文档中的支持功能和异常处理支持的 Level II。在编译 C++ 代码时，Clang 隐式地生成对这个库中函数和对象的引用。

虽然有可能使用

libstdc++

链接 C++ 代码和使用

libc++

链接代码一起到相同的程序(只要你不要试图通过 C++ 标准库对象的边界)，它通常在一个程序不大可能有超过一个 C++ ABI 库。

Clang 使用的 C++ ABI 库的版本将是所选 C++ 标准库所链接的版本。有几种实现可用：

• libc + + abi (LLVM)

  libc++abi 是 LLVM 对该规范的实现。

• libsupc++ (GNU)

  libsupc++

  是 GCC 对该规范的实现。但是，只有在静态链接

  libstdc++

  时才使用这个库。

  libstdc++

  的动态库版本包含

  libsupc++

  的一个副本。

  注意

  当静态链接

  libstdc++

  时，Clang当前不会自动链接到

  libatomic

  。在使用

  -static

  或

  -static-libstdc++

  时，可能需要手动添加

  -lsupc++

  来支持此配置。

• libcxxrt (PathScale)

  这是 Itanium C++ ABI 规范的另一个实现。请参阅 libcxxrt。

3.7 C++ 标准库

Clang 支持使用 LLVM 的

libc++

或 GCC 的

libstdc++

C++标准库实现。

• libc++ (LLVM)

  libc++ 是 LLVM 的 C++ 标准库实现，旨在从 C++ 11 开始成为全面的 C++ 标准实现。

  您可以指示 Clang 用

  -stdlib=libc++

  标志来使用 libc++。

• libstdc++ (GNU)

  libstdc++ 是 GCC 的 C++ 标准库实现。Clang 支持各种版本的 libstdc++，从4.2版本开始，并将隐式地处理旧版本libstdc++中的一些bug。

  您可以指示 Clang 用

  -stdlib=libstdc++

  标志来使用 libstdc++。