常用C/C++编译器
文章目录
- 1、GCC
- 1.1 什么是gcc
- 1.2 gcc特点
- 1.3 gcc 编译程序的过程
- 1.4 gcc常用编译选项
- 2、LLVM与Clang
- 2.1 传统编译器架构
- 2.2 什么是LLVM
- 2.3 LLVM架构
- 2.4 什么是Clang
- 2.5 Clang与LLVM的关系
1、GCC
1.1 什么是gcc
gcc 的全称是 GNU Compiler Collection，它是一个能够编译多种语言的编译器。
最开始gcc是作为C语言的编译器（GNU C Compiler），现在除了c语言，还支持C++、java、Pascal等语言。gcc支持多种硬件平台。
1.2 gcc特点
- gcc是一个可移植的编译器，支持多种硬件平台。例如ARM、X86等等。
- gcc不仅是个本地编译器，它还能跨平台交叉编译。所谓的本地编译器，是指编译出来的程序只能够在本地环境进行运行。而gcc编译出来的程序能够在其他平台进行运行。例如嵌入式程序可在x86上编译，然后在arm上运行。
- gcc有多种语言前端，用于解析不同的语言。
- gcc是按模块化设计的，可以加入新语言和新CPU架构的支持。
- gcc是自由软件。任何人都可以使用或更改这个软件。
1.3 gcc 编译程序的过程
gcc编译程序主要经过四个过程：
- 预处理（Pre-Processing）
- 编译 （Compiling）
- 汇编 （Assembling）
- 链接 （Linking）
预处理 实际上是将头文件、宏进行展开。
编译阶段，gcc调用不同语言的编译器，例如c语言调用编译器ccl。gcc实际上是个工具链，在编译程序的过程中调用不同的工具。
汇编阶段，gcc调用汇编器进行汇编。
链接过程会将程序所需要的目标文件进行链接成可执行文件。
汇编器生成的是可重定位的目标文件，学过操作系统，我们知道，在源程序中地址是从0开始的，这是一个相对地址，而程序真正在内存中运行时的地址肯定不是从0开始的，而且在编写源代码的时候也不能知道程序的绝对地址，所以重定位能够将源代码的代码、变量等定位为内存具体地址。
上图表示了这个过程，注意过程中文件的后缀变化，编译选项和这些后缀有关。
这是GCC编译的四个步骤。
1.4 gcc常用编译选项
语法：
gcc [-c|-S|-E] [-std=standard][-g] [-pg] [-Olevel][-Wwarn...] [-Wpedantic][-Idir...] [-Ldir...][-Dmacro[=defn]...] [-Umacro][-foption...] [-mmachine-option...][-o outfile] [@file] infile...
命令格式：
gcc [选项][文件名]
常用编译选项
| 选项名 | 作用 |
|---|---|
| -E | 预处理后即停止，不进行编译，不生成文件，预处理后的代码送往标准输出。仅执行编译预处理 |
| -S | 编译后即停止，不进行汇编，生成.s的汇编代码。即将C代码转换为汇编代码，仅执行编译操作 |
| -c | 汇编后即停止，不进行链接，生成.o文件。即仅执行汇编操作，不进行链接操作 |
| -o | 产生目标（.i、.s、.o、可执行文件等），即指定生成的输出文件 |
| -Wall | 生成所有警告信息。 |
| -Idir | 将dir目录加入搜索头文件的目录路径 |
| -Ldir | 将dir目录加入搜索库的目录路径 |
| -llib | 连接lib库 |
| -g | 在目标文件中嵌入调试信息，以便gdb之类的调试程序调试 |
| -v | 查看整个程序编译的所有子过程执行的命令行 |
| -O0/-O1/-O2/-O3/ | 指定编译器优化级别，-O0 表示没有优化, -O1 为默认值，-O3 优化级别最高 |
假设有个源程序 hello.c，gcc 编译的四个阶段使用编译选项示例：
#对hello.c文件进行预处理，生成了hello.i 文件
gcc -E hello.c -o hello.i #对预处理文件进行编译，生成了汇编文件
gcc -S hello.i -o hello.s #对汇编文件进行编译，生成了目标文件
gcc -c hello.s -o hello.o #对目标文件进行链接，生成可执行文件
gcc hello.o -o hello #一步到位，直接编译链接成可执行目标文件
gcc hello.c -o hello #编译生成可重定位目标文件
gcc -c hello.c
#或
gcc -c hello.c -o hello.o
2、LLVM与Clang
2.1 传统编译器架构
传统的编译器架构（比如GCC）主要分为前端、优化器、后端（理论上优化器也是后端的一部分）。三者的作用分别如下：
- 前端：词法分析、语法分析、语义分析、生成中间代码。
- 优化器：中间代码作为输入，优化中间代码（与架构无关的代码优化），使代码运行更快，体积更小。
- 后端：生成机器码（根据不同架构x86、x64等生成不同架构的机器码）。
2.2 什么是LLVM
LLVM项目是一个模块化的、可重用的编译器和工具链集合。尽管它的名字-LLVM与传统虚拟机（low level virtual machine）名字相似，但“LLVM”这个名字本身不是一个缩略词，它就是这个项目的全称。所以不要再把LLVM叫做low level virtual machine。
在理解LLVM时，我们可以认为它包括了一个狭义的LLVM和一个广义的LLVM。
- 广义的LLVM其实就是指整个LLVM编译器架构，包括了前端、后端、优化器、众多的库函数以及很多的模块。
- 狭义的LLVM其实就是聚焦于编译器后端功能（代码生成、代码优化、JIT等）的一系列模块和库。
2.3 LLVM架构
由上图可知，LLVM架构下，不同的前端和后端使用统一的中间代码LLVM InterMediate Representation(LLVM IR)。
如果需要支持一门新的编程语言，只需要实现一个新的前端。如果需要支持一款新的硬件设备，只需要实现一个新的后端。优化阶段是一个通用的阶段，它针对的是统一的LLVM IR，不论是支持新的编程语言，还是支持新的硬件设备，都不需要对优化阶段做修改。
相比之下，GCC的前端后端没有实现分离，前端后端耦合在了一起，所以GCC为了支持一门新的编程语言，或者为了支持一个新的硬件设备，就变得特别困难。
2.4 什么是Clang
Clang是LLVM的项目的子项目，它是LLVM架构下的C/C++/Objective-C的编译器前端。Clang 对源程序进行预处理、词法分析、语法分析，并将分析结果转换为抽象语法树（Abstract Syntax Tree)，最后使用 LLVM 作为编译器后端代码的生成器。
Clang 的开发目标是提供一个可以替代 GCC 的前端编译器。相比较于GCC，Clang具有如下优点：
- 编译速度快：在某些平台上，Clang的编译速度明显快过GCC。Debug模式下，Clang编译OC的速度比GCC快3倍。
- 占用内存少：Clang生成的抽象语法树(AST)，所占用的内存是GCC的五分之一左右。
- 模块化设计：Clang作为LLVM项目下的一个子项目，采用基于库的模块化设计，易于IDE的集成及其他用途的重用。
- 诊断信息可读性强：在编译过程中，Clang 创建并保留了大量详细的元数据 (metadata)，有利于调试和错误报告。
- 设计清晰简单，容易理解，易于扩展增强。
2.5 Clang与LLVM的关系
Clang作为LLVM的前端，负责词法分析、语法分析、语义分析，然后生成中间代码。接下来把中间代码转交给优化器，优化器会对中间代码进行与架构无关的代码优化，优化后的代码体积更小、运行速度更快。最终LLVM后端会把优化后的中间代码转化为机器码。流程如下：
虽然Clang是LLVM的前端，但是LLVM的前端不只是Clang。Clang只是为C、C++、Objective-C设计的LLVM的编译器前端。除此之外，还有为Swift设计的编译器前端Swift等。
原文：源代码编译介绍
相关参考：
- LLVM简介
- LLVM(clang)介绍
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