الاختلافات بين Clang و LLVM مقابل GCC

عندما ينظر المرء إلى عالم المترجمين الحديثين، فإن الأسماء Clang و LLVM تظهر هذه الاختصارات في كل مكان، وغالبًا ما تُستخدم بشكل متبادل. ومع ذلك، فإن وراء هذه الاختصارات مفاهيم متميزة تستحق الفهم، خاصةً إذا كنت ترغب في تحقيق أقصى استفادة من نظامك، أو توزيعة لينكس الخاصة بك، أو مشاريعك بلغات C أو C++ أو Objective-C.

في الممارسة اليومية، اعتاد العديد من المطورين على استخدام GCC، ولكن أصبح من الشائع بشكل متزايد مواجهة بيئات تعطي الأولوية لـ Clang كواجهة أمامية وLLVM كبنية تحتيةإن الانتقال من مترجم إلى آخر ليس مجرد مسألة تشغيل ملف تنفيذي مختلف: فهناك فروق دقيقة في التوافق والتحسينات والخيارات الافتراضية وسلوك الإنتاج التي يمكن أن تحدث فرقًا كبيرًا.

أول شيء يجب توضيحه هو أن LLVM ليس مُترجمًا واحدًالا يقتصر LLVM على كونه أداة أو مكتبة تجميع تُشكل أساسًا للعديد من واجهات المستخدم، بما في ذلك Clang. فهو يتضمن، من بين أمور أخرى، مُحسِّنات للتعليمات البرمجية الوسيطة، وواجهات خلفية لتوليد التعليمات البرمجية الآلية للعديد من البنى، وبدائل للأدوات الكلاسيكية مثل ar, nm, ranlib أو حتى روابط مثل بكالوريوس في القانون.

أما كلانج، من جانبه، فهو واجهة المستخدم الأمامية لـ لغات C و C++ و Objective-CObjective-C++ و CUDA و RenderScript ضمن نظام LLVM البيئي. تتمثل وظيفتها الرئيسية في تحليل شفرة المصدر، والتحقق من توافقها مع معيار اللغة، وإنتاج تشخيصات واضحة وترجمتها إلى تمثيل وسيط LLVM (IR)، والذي سيتم بعد ذلك تحسينه وتحويله إلى شفرة قابلة للتنفيذ بواسطة بقية سلسلة الأدوات.

لذلك، عندما يتحدث الناس عن "استخدام Clang" في نظام ما، فإنهم في الواقع يستخدمون Clang كمترجم الواجهة الأمامية وLLVM كمترجم الواجهة الخلفيةمع إمكانية الاعتماد أيضًا على الأدوات المساعدة التكميلية لـ LLVM (مثل binutils، و linker، ومكتبات وقت التشغيل، إلخ). على سبيل المثال، من الممكن استخدام Clang كبديل مباشر لـ GCC، مع الاستمرار في استخدام مكتبة GCC C++ القياسية، وأوقات تشغيلها، وبشكل عام، جزء كبير من بنية GNU التحتية.

إحدى النقاط المهمة هي أنه في العديد من أنظمة لينكس، لا تزال مكونات GCC (مكتبة C++ القياسية، وفك الالتفاف، وOpenMP، ومكتبات التنظيف، وما إلى ذلك) المكونات الأساسية للنظامومع ذلك، فقد ترسخ خيار بناء سلسلة أدوات تعتمد بشكل شبه كامل على LLVM تدريجياً، حتى أنه حل محل جزء كبير من أدوات GNU الثنائية، ولم يتبق سوى مكتبة C الكلاسيكية كمكون لا غنى عنه عملياً، وهو ما يكون عادةً سي العمومية.

العلاقة بين Clang و LLVM و GCC

بعد توضيح دور كل منهما، من المهم فهم كيفية مقارنة Clang/LLVM وGCC كمجموعات أدوات متكاملة. يسعى كلا المشروعين إلى تحقيق هدف مماثل: قم بتجميع كود فعال وصحيح بالنسبة لعدد كبير من البنى والمنصات، لكنهم يفعلون ذلك بتصميمات داخلية مختلفة وبقرارات مختلفة فيما يتعلق بالقيم الافتراضية وامتدادات اللغة.

يتمثل أحد الأهداف المعلنة لمشروع Clang في الحفاظ على توافق عالٍ مع الكود المصمم لـ GCCعمليًا، يعني هذا أنه في العديد من التوزيعات مثل جنتو، يمكنك تجربة استخدام Clang كمترجم افتراضي لجزء كبير من حزم النظام. مع ذلك، لا تزال فكرة "استخدام Clang على مستوى النظام" تُعتبر تجريبية إلى حد ما: فبعض الحزم تعتمد على امتدادات GCC محددة للغاية، بينما تفترض حزم أخرى سلوكيات معينة من خيارات GCC الافتراضية، وبعضها، رغم إمكانية تجميعها، يُعاني من مشاكل أثناء التشغيل.

عندما يُفرض استخدام Clang عالميًا ويحدث خلل ما، يكون الحل التقليدي عادةً هو تحديد بيئة من استخدام GCC كخيار احتياطيفي هذا السياق، يُستخدم GCC للحزم التي لا تعمل بشكل جيد مع Clang أو مع المكتبات وبيئات التشغيل البديلة التي يوفرها LLVM. يتم تطبيق هذا النهج المختلط، الشائع جدًا في Gentoo، من خلال التكوينات في /etc/portage/make.conf وملفات البيئة الخاصة بكل مترجم.

ثمة جانب آخر يختلفون فيه اختلافاً كبيراً، وهو طريقة تنفيذهم لـ تحسين وقت الربط (LTO)طوّرت Clang/LLVM منهجها الخاص، مع اعتبار ThinLTO الوضع المُوصى به، بينما يستخدم GCC تصميمًا مختلفًا لمراحل LTO. عمليًا، هذا يعني أن السلوك والأداء والأعطال المحتملة مع LTO قد تختلف اختلافًا كبيرًا اعتمادًا على المُصرّف المُستخدم.

الاختلافات الرئيسية مقارنة بدول مجلس التعاون الخليجي

من أبرز الاختلافات التي تؤثر على الاستخدام اليومي هي امتدادات اللغة التي يدعمها كل مُصرّف. يسعى Clang إلى التوافق مع جزء كبير من نظام GCC البيئي، ولكن لا يدعم بعض الإضافات الخاصة بـ GCC.مثل الدوال المتداخلة. وهذا تحديدًا أحد الأسباب التي جعلت Clang يواجه صعوبة في تجميع حزم برمجية بالغة الأهمية مثل sys-libs/glibcومع ذلك، يجري العمل على جعل مكتبة glibc أكثر توافقًا مع الأدوات البديلة.

توجد أيضًا اختلافات في العلامات المتعلقة بمعالجة عمليات الفاصلة العائمة. يكون GCC نشطًا افتراضيًا. -ftrapping-mathبينما يستخدم Clang افتراضيًا -fno-trapping-mathيشير هذا الاختلاف إلى أن السلوك تجاه بعض استثناءات الفاصلة العائمة يمكن أن يختلف بين المترجمات إذا لم يحدد المطور بشكل صريح كيفية التعامل مع هذه الحالات في مشروعه.

ومن النقاط الرئيسية الأخرى كيفية تعاملها مع التداخل الدلالي. يقوم نظام GCC بتمكينه افتراضياً. -fsemantic-interpositionيسمح هذا بإدخال الرموز عبر المكتبات المشتركة وفقًا لقواعد ربط ELF، ولكنه قد يحد من بعض التحسينات بين الإجراءات. من ناحية أخرى، يقوم Clang بإجراء تحسين بين الدوال افتراضيًا ويوفر الخيار -fno-semantic-interposition لزيادة استغلال هذه التحسينات عندما يسمح الكود بذلك ولا يعتمد على التداخل الكلاسيكي.

قد تبدو هذه الاختلافات في التصميم طفيفة، لكنها تؤثر بشكل كبير على كيفية تجميع البرامج وسلوكها. من الشائع أن ما "يعمل بشكل مثالي" مع مُجمِّع GCC يتطلب... تعديلات في العلامات أو في شفرة المصدر للتجميع والتشغيل بشكل صحيح مع Clang والعكس صحيح، خاصة في المشاريع التي تتجاوز حدود المعيار أو تعتمد على تفاصيل دقيقة للغاية للربط.

اختلافات طفيفة ولكنها ذات صلة

على مستوى خيارات البناء الافتراضية، توجد أيضًا فروق دقيقة أقل وضوحًا تستحق المعرفة. على سبيل المثال، يستخدم GCC هذا الخيار افتراضيًا. -ffp-contract=fastبينما يأخذ Clang القيمة الافتراضية -ffp-contract=onيتميز تكوين GCC بطابع أكثر جرأة، حيث يمكنه إعادة ترتيب العمليات أو تحسينها بطرق قد تكون محفوفة بالمخاطر في بعض الحالات التي تتطلب دقة حسابية عالية. أما Clang، بإعداداته الافتراضية، فيميل إلى اتباع نهج أكثر تحفظًا، وهو ما يعتبره الكثيرون سلوكًا أكثر أمانًا ما لم يكن الهدف هو تحقيق أقصى أداء ممكن.

فيما يتعلق بالتحويل إلى متجهات، وحتى الإصدار 12، لم يقم GCC بإجراء تحسينات على مستوى المتجهات. -O2 أو أقللكن Clang يقوم بتفعيل تحسينات المتجهات على جميع المستويات الأعلى -O1باستثناء -Ozحيث يقتصر الأمر على مُحَوِّل SLP. على الرغم من أن هذا نادرًا ما يُسبب مشاكل مباشرة، إلا أنه يُفسر سبب حصول نفس الكود أحيانًا على تختلف النتائج باختلاف المُصرّفحتى مع وجود علامات تحسين تبدو متطابقة.

تُعدّ مراحل التشغيل التجريبي مجالاً آخر يختلف فيه المشروعان. إذ يُعتقد أن مراحل التشغيل التجريبي لمشروعي GCC وClang تعمل بطريقة مختلفة. مختلف جذرياًهذا يعني أن الحزم التي تُجمَّع وتعمل بشكل جيد مع تحسين وقت الترجمة (LTO) في بيئة GCC قد لا تعمل كذلك مع بيئة Clang، والعكس صحيح. لا توجد قاعدة عامة: في كثير من الحالات، الأمر يتعلق بالاختبار، والأخطاء المحددة، وخصوصيات كل مشروع.

علاوة على ذلك، هناك تفاصيل عملية صغيرة، مثل حقيقة أن Clang، في تكامله مع توزيعات معينة، لا تقم بالتثبيت مباشرة على /usr/binولكن في مسارات محددة تُضاف إلى متغير البيئة PATHيؤثر هذا على أدوات مثل sudoالذين يستخدمون PATH يتم "تبييضها" وتجميعها في الملف الثنائي، لذلك عندما يظهر إصدار جديد من Clang، قد لا يكون متاحًا من sudo إلى حين إعادة تجميع أداة الامتيازات أو إعادة تهيئتها.

التثبيت والتكوين باستخدام Clang/LLVM

في توزيعات مثل جنتو، يتم التحكم في كلانج وبقية مكونات LLVM من خلال استخدم الأعلام ومتغيرات محددة مثل LLVM_TARGETSيحدد هذا الأخير البنى التي تم بناء واجهات LLVM الخلفية من أجلها، وهو أمر بالغ الأهمية إذا كنت ترغب في دعم وحدات المعالجة المركزية أو الأجهزة المتعددة.

لتثبيت Clang، عادةً ما تستخدم مدير الحزم، وبمجرد تثبيته على نظامك، يمكنك تهيئته ليكون المُصرّف الأساسي لحزم مُحددة أو على مستوى النظام. في Gentoo، تتمثل الطريقة المعتادة لتعيين Clang كمُصرّف افتراضي في تعديل المتغيرات. CC y CXX في الملف /etc/portage/make.conf، وتوجيههم إلى ملفات Clang التنفيذية وما يعادلها في لغة C++.

تتمثل إحدى الاستراتيجيات الأخرى المرنة للغاية في استخدام ملفات البيئة في /etc/portage/envحيث يتم تعريف "ملف تعريف" للمترجم يعتمد على Clang وآخر على GCC. وهذا يسمح بتعيين ملفات تعريف المترجم عبر الملف. /etc/portage/package.env, مُجمِّعات مختلفة لكل حزمةعلى سبيل المثال، استخدم Clang لمعظم أجزاء النظام، ولكن فرض استخدام GCC على الحزم الإشكالية أو الحساسة للغاية.

هناك تفاصيل تاريخية يجب مراعاتها. قبل الإصدار 14.0.0، كان Clang لم يكن لدي خيار default-pie على غرار دول مجلس التعاون الخليجيتطلب ذلك إدخالاً يدوياً -fPIC en CFLAGS y -pie en LDFLAGS لإنشاء ملفات تنفيذية ذات مواقع مستقلة. تم تبسيط هذه العملية في الإصدارات الحديثة، ولكن إذا كنت تستخدم إعدادات قديمة، فمن المستحسن مراجعة وتنظيف المراجع القديمة في متغيرات العلامات.

على أي حال، حتى لو قمت ببناء نظام يركز بشكل كبير على Clang وLLVM، فستظل بحاجة إلى GCC لبعض الحزم مثل glibc أو wine. تحتفظ بعض التوزيعات بأنظمة تتبع الأخطاء التي تُجمّع جميع الحزم التي تفشل في التجميع باستخدام Clang، مما يساعد في تحديد متى يجب اللجوء إلى مُجمّع GNU.

بيئات احتياطية واختيار المترجم

عند استخدام ملفات تعريف تجريبية تركز على LLVM (وهي تختلف عن مجرد تثبيت Clang)، تظهر قيود تتعلق ببيئات النسخ الاحتياطي. قد لا تعمل بيئة "النسخ الاحتياطي لـ GCC" النموذجية كما هي إذا تم إعداد النظام بأكمله لاستخدام، على سبيل المثال، مكتبة libc++ كمكتبة C++ قياسيةفي تلك الحالات، تُستخدم علامات مثل -stdlib=libc++ عندما يتم استدعاء GCC في بيئة الطوارئ تلك، وحتى في هذه الحالة قد لا يكون السلوك كما هو متوقع.

الفكرة العملية هي الإنشاء في /etc/portage/env ملف تكوين، على سبيل المثال compiler-gcc، وتحديد متغيرات البيئة اللازمة للتجميع باستخدام GCC. ثم، في /etc/portage/package.envيتم تحديد الحزم التي يجب أن تستخدم هذه البيئة. ويتكرر هذا النمط مع تركيبات مختلفة: Clang بدون LTO، وClang مع LTO، وGCC بدون LTO، وGCC مع LTO، إلخ.

وبالتالي، عندما تفشل حزمة ما مع Clang (بسبب امتدادات GCC، أو مشاكل LTO، أو التبعيات المتبادلة، وما إلى ذلك)، يكفي أن أضفه إلى قائمة الحزم التي يتم تجميعها باستخدام بيئة أخرىوهذا يجعل التعايش بين Clang و GCC أمرًا يمكن إدارته بسهولة، بشرط أن تكون منضبطًا في الحفاظ على ملفات التكوين هذه.

على مستوى "بشري" أكثر، يتساءل العديد من المستخدمين عن المُصرّف الذي سيختاره برنامج التكوين النصي عند تثبيت كليهما. عادةً، يتبع نظام البناء قواعد واضحة: فهو ينظر إلى متغيرات البيئة مثل CC y CXXتحقق من المترجمات المتاحة في PATHوفي بعض الحالات يعطي الأولوية لأسماء محددة مثل gcc o clangلذلك، فإن "التفضيل" ليس سحراً: بل يتم تحديده من خلال تكوين النظام والمعلمات التي يحددها المستخدم.

استخدام متقدم لـ Clang/LLVM: LTO وPGO والمزيد

يتكامل Clang بشكل جيد للغاية مع تقنيات التحسين المتقدمة مثل تقنية تحسين وقت الربط (LTO) وتقنية التحسين الموجه بالملف الشخصي (PGO). في حالة تقنية LTO، يقوم المترجم بإنشاء رمز LLVM الثنائي بدلاً من رمز الكائن التقليدي، ويؤجل معظم عمليات التحسين إلى مرحلة الربط.

يدعم Clang نوعين رئيسيين من LTO. من ناحية، اكتملت إجراءات الترخيص.وهو الذي يحلل وحدة الربط بأكملها دفعة واحدة؛ إنه النهج الكلاسيكي، المشابه لـ GCC، ولكنه لم يعد يُنصح به كخيار أول في الوقت الحاضر. من ناحية أخرى، هناك ثينلتوحيث يتم فحص وحدة الربط وتقسيمها إلى أجزاء متعددة. يحتوي كل جزء على التعليمات البرمجية ذات الصلة بنطاقه فقط، مما يقلل من استهلاك الذاكرة، ويسرع عملية التجميع، ويزيد من التوازي دون التضحية بالكثير من الأداء.

عمليًا، لتفعيل تقنية ThinLTO، يتم استخدام علامة مثل: -flto=thin في متغيرات التجميع. إذا كنت ترغب في استخدام LTO الكامل، فما عليك سوى استبداله بـ -fltoدون وجود اختلافات كبيرة في التوافق بين الوضعين. ومع ذلك، يجدر التذكير بأنه إذا كانت الحزمة clang-common لم يتم بناؤه باستخدام علامة الاستخدام default-lld، سيكون من الضروري إضافة -fuse-ld=lld a LDFLAGS بحيث يتم استخدام رابط LLVM.

يمكنك أيضًا استخدام أدوات binutils الخاصة بـ LLVM، مثل llvm-ar, llvm-nm y llvm-ranlibخاصةً عند العمل مع الشفرة الثنائية المُولَّدة بتقنية LTO. هذه بدائل مصممة خصيصًا لفهم هذا التنسيق، على الرغم من أن التجربة العملية تختلف باختلاف المشروع، ولا تُقدِّم دائمًا تحسينات واضحة مقارنةً بالأدوات القياسية.

فيما يتعلق بـ PGO، يوفر نظام LLVM البيئي مكونات مثل clang-runtime مع علامة الاستخدام sanitize y compiler-rt-sanitizers بأعلام مثل profile u orcتفعيل علامة الاستخدام pgo على مستوى عالمي أو مستوى الحزمة، يمكن جمع معلومات تنفيذ البرنامج في الوقت الفعلي وتغذيتها إلى المترجم باستخدام هذه الملفات التعريفية، بحيث يمكنه تحسين مسارات التعليمات البرمجية الساخنة بناءً على الاستخدام الفعلي.

إضافة إلى ما سبق، يعمل Clang بشكل جيد للغاية مع أنظمة التخزين المؤقت مثل ذاكرة التخزين المؤقتبمجرد تثبيت Clang، تعمل هذه المشاريع عادةً بشكل تلقائي تقريبًا، مما يُسرّع عمليات إعادة التجميع. وفي المجال الأكثر تخصصًا، مشاريع مثل المروحةPropeller هو منهج PGO مصمم لمعالجة مشاكل أدوات مثل Bolt، وخاصةً استهلاك الذاكرة. يعتمد Propeller على Clang ويتطلب تبعيات مثل... app-arch/zstd مع علامة الاستخدام static-libsبالإضافة إلى تجميع من مصدر محدد إلى حد ما.

المشاكل الشائعة وكيفية التعامل معها باستخدام Clang

في البيئات التي يعمل فيها Clang كمترجم رئيسي، تميل الأخطاء الأكثر شيوعًا إلى التجمع في أنماط نموذجية قليلة. ومن الأمثلة الواضحة على ذلك ما يلي: أخطاء في الترجمة عند استخدام LTOإذا تم تجميع حزمة باستخدام -flto وإذا ظهرت أخطاء متكررة في سجلات Portage، فإن الحل العملي هو تعطيل LTO لتلك الحزمة المحددة باستخدام بيئة مثل compiler-clang بدون ترخيص تشغيل.

أحيانًا، حتى لو تم تعطيل LTO في الحزمة المعيبة، تستمر المشكلة لأن تم تجميع مكتبة تابعة أخرى باستخدام LTO وهي معطلة.ومن الأمثلة الكلاسيكية على ذلك عندما تكون الحزمة مثل boehm-gc ينفجر بسبب اعتماده libatomic_ops يتم تجميعها باستخدام LTO، مما ينتج عنه سلوك غير متوقع. في هذه الحالات، يجب إعادة بناء التبعية بدون LTO، ويجب التأكد من تجميع كلا الحزمتين في بيئة متسقة.

نوع آخر شائع من المشاكل يحدث عندما يستخدم الكود المصدري ملحقات GNU دون تحديد المعيار الصحيح عبر العلم -std=يسمح مُجمِّع GCC عادةً بالعديد من هذه الاستخدامات دون اشتراط معيار مُحدَّد، بينما يُعطِّل مُجمِّع Clang بعض هذه الامتدادات النادرة ما لم يُنصَّ على ذلك صراحةً. إذا كانت حزمة ما تعتمد على هذه الامتدادات، فيجب تجميعها باستخدام علامات مثل -std=gnu89, -std=gnu99 o -std=gnu++98، بما يتناسب مع اللغة والمستوى المتوقع.

من الأعراض الشائعة لهذه المشكلة رؤية تعريفات متعددة للدوال المضمنة في سجلات التجميع. هذا لأن Clang، بشكل افتراضي، يستخدم قواعد C99 المضمنة، والتي لا تتوافق جيدًا مع التعليمات البرمجية المصممة لـ gnu89في ذلك السيناريو، الإجبار -std=gnu89 هذا عادةً ما يكون كافياً؛ وإذا لم يكن كذلك، فهناك دائمًا خيار تجميع الحزمة المتعارضة باستخدام GCC باستخدام إحدى بيئات النسخ الاحتياطي.

كما تظهر الشكوك في كثير من الأحيان عندما يشير النظام إلى وجود أخطاء مثل sudo: clang: command not foundما يحدث هناك هو أن Clang قد تم تثبيته في مسار تمت إضافته إلى PATH من المستخدم، ولكن يحتفظ الأمر sudo بمساره الداخلي الخاص (PATH).لن يتضمن المسار المحدد أثناء عملية تجميع الملفات الثنائية مسار Clang إلا بعد إعادة تجميع sudo أو تعديل إعداداته. لذلك، لن يعثر sudo على Clang، على الرغم من أن المستخدم العادي يستطيع تشغيله دون مشاكل.

بالنسبة لمستخدمي Gentoo أو التوزيعات الأخرى التي تتميز بتتبع الأخطاء المفصل، فإن المرجع الرئيسي لمشاكل Clang عادةً ما يكون نظام تتبع الأخطاء الخاص هنا يتم تجميع جميع الأخطاء المعروفة في الحزم التي لا يتم تجميعها أو تشغيلها بشكل صحيح باستخدام هذه الأدوات. في حال اكتشاف خطأ جديد، يُشجع المستخدمون على الإبلاغ عنه وإغلاقه في نظام تتبع الأخطاء العام، ليتمكن المجتمع من إصلاحه أو توثيق حلولهم.

إذا قارنت كل هذه الأجزاء، يمكنك أن ترى أن التانديم Clang + LLVM يُوفر نظامًا بيئيًا قويًا ومرنًا وحديثًا للغاية، ولكنه لا يزال يتعايش بشكل وثيق مع GCC في العديد من الأنظمة، لا سيما على المستويات الحساسة مثل مكتبة C أو الحزم القديمة جدًا. إن فهم الاختلافات بينهما، وكيفية تكاملهما، والتعديلات المطلوبة في الخيارات أو تحسينات وقت التشغيل أو معايير اللغة، يجعل الانتقال بينهما أقل صعوبة وأكثر فائدة عند إعداد بيئة التطوير أو نظام Linux المخصص.