Diferències entre Clang i LLVM davant de GCC

Quan un treu el cap al món dels compiladors moderns, els noms Clang i LLVM apareixen per tot arreu i, sovint, es fan servir com si fossin el mateix. No obstant això, darrere d'aquestes sigles hi ha conceptes diferents que convé entendre bé, sobretot si vols esprémer al màxim el teu sistema, la teva distribució Linux o els teus projectes a C, C++ o Objective‑C.

En el dia a dia, molts desenvolupadors estan més acostumats a GCC, però cada cop és més habitual trobar-se amb entorns que prioritzen Clang com a frontend i LLVM com a infraestructura. Canviar d'un compilador a un altre no només és qüestió d'executar un binari diferent: hi ha matisos en compatibilitat, optimitzacions, opcions per defecte i comportament en producció que poden marcar la diferència.

El primer és aclarir que LLVM no és un compilador únic, sinó un conjunt d'eines i biblioteques de compilació que serveixen de base per a diferents frontends, entre els quals Clang. LLVM inclou, entre altres coses, optimitzadors de codi intermedi, backends per generar codi màquina per a moltes arquitectures i reemplaçaments per a eines clàssiques com ar, nm, ranlib o fins i tot enllaçadors com lld.

Clang, per la seva banda, és el frontend de llenguatges C, C++ i Objective‑C, Objective‑C++, CUDA i RenderScript dins de l'ecosistema LLVM. La seva funció principal és analitzar el codi font, comprovar que respecta l'estàndard del llenguatge, produir diagnòstics clars i traduir-lo a la representació intermèdia (IR) de LLVM, que després serà optimitzada i transformada en codi executable per a la resta de la cadena d'eines.

Article relacionat:

Diferències entre els llenguatges de programació més usats

Per això, quan es parla de “usar Clang” en un sistema, en realitat s'està usant Clang com a compilador frontal i LLVM com a backend, amb l'opció de recolzar-se també a les utilitats complementàries de LLVM (binutils, enllaçador, llibreries de temps d'execució, etc.). És possible, per exemple, utilitzar Clang com a substitut directe de GCC, però continuar utilitzant la biblioteca estàndard de C++ de GCC, els seus runtimes i, en general, gran part de la infraestructura GNU.

Un punt rellevant és que, en molts sistemes Linux, els components de GCC (biblioteca estàndard de C++, unwinder, OpenMP, llibreries de sanititzadors, etc.) continuen sent blocs bàsics del sistema. Tot i així, a poc a poc s'ha anat consolidant l'opció de muntar una cadena d'eines gairebé totalment basada en LLVM, substituint fins i tot gran part dels binutils de GNU, i deixant com a peça pràcticament inevitable només la biblioteca C clàssica, que sol ser glibc.

Relació entre Clang, LLVM i GCC

Un cop aclarit el paper de cadascú, és important entendre com es comparen Clang/LLVM i GCC com a cadenes d'eines completes. Tots dos projectes persegueixen un objectiu similar: compilar codi eficient i correcte per a una gran quantitat d'arquitectures i plataformes, però ho fan amb dissenys interns diferents i amb decisions diferents quant a valors per defecte i extensions de llenguatge.

Un dels objectius declarats del projecte Clang és mantenir-ne una alta compatibilitat amb codi pensat per a GCC. A la pràctica això significa que, en moltes distribucions com Gentoo, es pot intentar utilitzar Clang com a compilador per defecte de gran part dels paquets del sistema. Això no obstant, aquesta idea d'“usar Clang en tot el sistema” es considera encara una mica experimental: hi ha paquets que depenen d'extensions molt concretes de GCC, d'altres que assumeixen certs comportaments de les opcions per defecte de GCC i alguns que, encara que compilen, presenten problemes d'execució.

Quan es força un ús global de Clang i alguna cosa es trenca, la sortida clàssica sol ser definir un entorn de fallback usant GCC. En aquest context, es recorre a GCC per als paquets que no es porten bé amb Clang o amb les biblioteques i els runtimes alternatius proporcionats per LLVM. Aquest enfocament mixt, molt habitual a Gentoo, s'articula a través de configuracions a /etc/portage/make.conf i fitxers dentorn específics per a cada compilador.

Un altre aspecte on difereixen significativament és en la forma d'implementar la optimització en temps denllaç (LTO). Clang/LLVM han desenvolupat la seva pròpia aproximació, amb ThinLTO com a mode recomanat, mentre que GCC utilitza un disseny diferent per a les seves fases de LTO. A la pràctica, això es tradueix que el comportament, rendiment i possibles fallades amb LTO poden ser molt diferents segons el compilador utilitzat.

Diferències importants davant de GCC

Entre les diferències més notables que afecten el dia a dia destaquen les extensions de llenguatge que admet cada compilador. Clang s'esforça per ser compatible amb gran part de l'ecosistema GCC, però no suporta certes extensions pròpies de GCC, com les funcions imbricades (nested functions). Això en particular és un dels motius pels quals Clang ha tingut dificultats per compilar paquets tan crítics com sys-libs/glibc, encara que s'està treballant perquè glibc sigui més amable amb eines alternatives.

També hi ha diferències en les banderes relacionades amb el tractament de les operacions de coma flotant. GCC activa per defecte -ftrapping-math, mentre que Clang utilitza de sèrie -fno-trapping-math. Aquesta divergència implica que el comportament davant de certes excepcions de punt flotant pot variar entre compiladors si el desenvolupador no fixa explícitament com vol que es manegin aquests casos en el seu projecte.

Un altre punt clau és com gestionen la interposició semàntica. GCC habilita per defecte -fsemantic-interposition, cosa que permet interposar símbols a través de biblioteques compartides segons les normes d'enllaçat d'ELF, però pot limitar algunes optimitzacions interprocedimentals. Clang, en canvi, fa optimització entre funcions per defecte i ofereix l'opció -fno-semantic-interposition per esprémer encara més aquestes optimitzacions quan el codi ho permet i no es basa en la interposició clàssica.

Aquestes diferències de disseny poden semblar subtils, però tenen impacte real en com es compila i comporta el programari. És habitual que allò que “funciona perfecte” amb GCC necessiti ajustaments en flags o en codi font per compilar i executar-se correctament amb Clang i viceversa, sobretot en projectes que espremen els límits de l'estàndard o depenen de detalls molt fins de l'enllaçat.

Diferències menors però rellevants

A nivell d'opcions de compilació per defecte també hi ha matisos menys cridaners però que cal conèixer. Per exemple, GCC utilitza per defecte l'opció -ffp-contract=fast, mentre que Clang pren com a valor predeterminat -ffp-contract=on. La configuració de GCC és una mica més agressiva i pot reordenar o optimitzar de maneres que, en certs escenaris numèricament delicats, resulten una mica més arriscades. Clang, amb el seu valor per defecte, tendeix a ser una mica més conservador, cosa que molts consideren un comportament més “segur” llevat que es busqui explícitament maximitzar el rendiment.

Pel que fa a vectorització, fins a la versió 12, GCC no executava optimitzacions vectorials al nivell -O2 o inferior. Clang, però, sí que activa optimitzacions vectorials en tots els nivells superiors a -O1, excepte en -Oz, on es limita al vectoritzador SLP. Encara que això poques vegades causa problemes directes, explica per què de vegades un mateix codi obté rendiments diferents segons el compilador, fins i tot amb flags d'optimització aparentment equivalents.

Les fases de LTO són ​​un altre camp on tots dos projectes se separen. Es considera que les fases de LTO de GCC i Clang funcionen de manera dràsticament diferent. Això vol dir que paquets que compilen i es comporten bé amb LTO sota GCC poden no fer-ho amb Clang, i al revés. No hi ha una regla general: en molts casos és qüestió de prova, errors puntuals i particularitats de cada projecte.

A més, hi ha petits detalls pràctics, com el fet que Clang, en la seva integració amb certes distribucions, no s'instal·li directament a /usr/bin, sinó en rutes específiques que s'afegeixen a la variable d'entorn PATH. Això afecta eines com sudo, que usen un PATH propi “blanquejat” i compilat al binari, de manera que quan apareix una nova versió de Clang pot no estar disponible des de sudo fins que es recompila o reconfigura l'eina de privilegis.

Instal·lació i configuració amb Clang/LLVM

En distribucions com Gentoo, Clang i la resta de components de LLVM es controlen a través de USE flags i variables específiques com LLVM_TARGETS. Aquesta última determina per a quines arquitectures es construeixen els backends de LLVM, una cosa crucial si es vol suportar múltiples CPUs o dispositius.

Per instal·lar Clang se sol recórrer al gestor de paquets i, un cop present al sistema, és possible configurar-lo perquè actuï com a compilador principal per a certs paquets o de forma global. A Gentoo, la forma típica d'establir Clang com a compilador per defecte és modificar les variables CC y CXX en el fitxer /etc/portage/make.conf, apuntant-les als executables de Clang i el seu equivalent per a C++.

Una altra estratègia molt flexible és utilitzar fitxers d'entorn a /etc/portage/env, on es defineix un “perfil” de compilador basat en Clang i un altre en GCC. Amb això es poden assignar, a través del fitxer /etc/portage/package.env, compiladors diferents per paquet. Per exemple, utilitzar Clang per a la majoria del sistema, però obligar GCC en paquets problemàtics o extremadament sensibles.

Hi ha detalls històrics a tenir en compte. Abans de la versió 14.0.0, Clang no tenia una opció default-pie similar a la de GCC. Això obligava a incloure manualment -fPIC en CFLAGS y -pie en LDFLAGS per generar executables amb posició independent. Amb les versions modernes això s'ha simplificat, però si véns de configuracions antigues és bona idea revisar i netejar referències obsoletes a les variables de flags.

En qualsevol cas, encara que muntis un sistema molt centrat en Clang i LLVM, continuaràs necessitant GCC per a determinats paquets com glibc o wine. Algunes distribucions mantenen errors de seguiment que recopilen tots els paquets que fallen en compilar-se amb Clang, cosa que ajuda a decidir quan recórrer al compilador de GNU.

Entorns de fallback i elecció de compilador

En utilitzar perfils experimentals centrats en LLVM (no és el mateix que simplement instal·lar Clang), sorgeixen limitacions amb els entorns de fallback. Un entorn de “GCC fallback” típic pot no funcionar com si tot l'stack està preparat per utilitzar, per exemple, libc++ com a biblioteca estàndard de C++. En aquests casos, cal afegir flags com -stdlib=libc++ quan s'invoqui GCC en aquest entorn d'emergència, i així i tot pot ser que el comportament no sigui l'esperat.

La idea pràctica és crear a /etc/portage/env un fitxer de configuració, per exemple compiler-gcc, definint les variables d'entorn necessàries per compilar amb GCC. Després, a /etc/portage/package.env, s'assignen els paquets que han d'utilitzar aquest entorn. Aquest patró es repeteix amb diferents combinacions: Clang sense LTO, Clang amb LTO, GCC sense LTO, GCC amb LTO, etc.

Així, quan un paquet falli amb Clang (per extensions de GCC, per problemes de LTO, per dependències creuades, etc.), n'hi ha prou amb afegir-lo a la llista de paquets que es compilen amb un altre entorn. Això converteix la coexistència de Clang i GCC en una cosa força manejable, sempre que es tingui disciplina en mantenir aquests fitxers de configuració.

En el pla més “humà”, molts usuaris es pregunten quin compilador escollirà un script de configuració quan tots dos estan instal·lats. Normalment, el sistema de build segueix regles clares: mira variables dentorn com CC y CXX, comprova quins compiladors estan disponibles al PATH, i en alguns casos dóna prioritat a noms concrets com gcc o clang. Per tant, la “preferència” no és màgica: la marca la configuració del sistema i els paràmetres que defineixi el mateix usuari.

Ús avançat de Clang/LLVM: LTO, PGO i més

Clang s'integra molt bé amb tècniques avançades d'optimització com la LTO (Link Time Optimization) i la PGO (Profile Guided Optimization). En el cas de LTO, el compilador genera bitcode de LLVM en lloc de codi objecte tradicional i difereix gran part de les optimitzacions a la fase denllaç.

Clang admet dos tipus principals de LTO. D'una banda, la LTO completa, que analitza tota la unitat denllaç duna vegada; és l'enfocament clàssic, semblant al de GCC, però avui dia ja no es recomana com a primera opció. D'altra banda, està ThinLTO, on la unitat denllaç sescaneja i es divideix en múltiples parts. Cada part només conté el codi rellevant per al seu àmbit, cosa que redueix consum de memòria, accelera la compilació i augmenta el paral·lelisme sense sacrificar gaire rendiment.

A la pràctica, per activar ThinLTO s'usa una flag com -flto=thin a les variables de compilació. Si voleu utilitzar LTO completa només cal substituir-la per -flto, sense que hi hagi grans diferències de compatibilitat entre les dues maneres. Això sí, convé recordar que, si el paquet clang-common no s'ha construït amb la USE flag default-lld, caldrà afegir -fuse-ld=lld a LDFLAGS perquè s'utilitzi l'enllaçador de LLVM.

També es poden emprar les eines de binutils de LLVM, com ara llvm-ar, llvm-nm y llvm-ranlib, especialment quan es treballa amb bitcode generat per LTO. Són alternatives pensades específicament per entendre aquest format, encara que l'experiència pràctica varia segons el projecte i no sempre aporten millores clares davant de les eines estàndard.

Pel que fa a PGO, l'ecosistema LLVM proporciona components com clang-runtime amb USE flag sanitize y compiler-rt-sanitizers amb flags com profile u orc. Activant la USE flag pgo a nivell global o per paquet es pot recollir informació dexecució real dels programes i alimentar el compilador amb aquests perfils, perquè optimitzi rutes calentes de codi basant-se en lús real.

Complementant això, Clang es porta molt bé amb sistemes de memòria cau com catxa, que així que Clang està instal·lat solen funcionar de forma gairebé automàtica, accelerant recompilacions. I al terreny més especialitzat apareixen projectes com Hèlix, un enfocament de PGO dissenyat per solucionar problemes d'eines com BOLT, especialment en consum de memòria. Propeller es recolza a Clang i requereix dependències com app-arch/zstd amb la USE flag static-libs, a més d'una compilació des de font força específica.

Problemes habituals i com afrontar-los amb Clang

En entorns on Clang actua com a compilador principal, els errors més habituals solen agrupar-se en uns quants patrons típics. Un primer cas clar són els fallades de compilació en utilitzar LTO. Si un paquet es compila amb -flto i apareixen errors recurrents en els registres de Portage, una solució pràctica és desactivar LTO per a aquest paquet concret usant un entorn com compiler-clang sense LTO.

De vegades, encara que es desactivi LTO al paquet que falla, el problema persisteix perquè una altra biblioteca dependent es va compilar amb LTO i funciona malament. Un exemple clàssic és quan un paquet com boehm-gc rebenta perquè la seva dependència libatomic_ops està compilada amb LTO i produeix un comportament inesperat. En aquests casos cal reconstruir també la dependència sense LTO, i assegurar-se que tots dos paquets es compilen amb un entorn coherent.

Un altre tipus de problema freqüent es dóna quan el codi font utilitza extensions GNU sense especificar l'estàndard correcte mitjançant la flag -std=. GCC sol permetre molts d'aquests usos sense exigir-ne un estàndard concret, mentre que Clang desactiva algunes d'aquestes extensions més rares si no s'indica explícitament. Si un paquet depèn d'aquestes extensions, cal compilar-lo amb flags com -std=gnu89, -std=gnu99 o -std=gnu++98, segons correspongui al llenguatge ia l'estàndard esperat.

Un símptoma típic d'aquest problema és veure múltiples definicions de funcions inline als logs de compilació. Això té a veure amb que Clang, per defecte, fa servir les regles d'inline de C99, que no quadren bé amb codi pensat per gnu89. En aquest escenari, forçar -std=gnu89 sol ser suficient; si no, sempre queda l'opció de compilar el paquet conflictiu amb el GCC mitjançant un dels entorns de fallback.

També es veuen sovint dubtes quan el sistema indica errors com sudo: clang: command not found. El que passa és que Clang s'ha instal·lat en una ruta que s'afegeix al PATH de l'usuari, però sudo manté el seu propi PATH intern, definit a la compilació del binari. Fins que no es recompila sudo o no s'ajusta la configuració, aquest PATH no inclourà la ruta de Clang, per la qual cosa sudo no el trobareu encara que l'usuari normal sí que ho pugui executar sense problemes.

Per als que usin Gentoo o altres distribucions amb seguiment detallat de bugs, la referència principal per a problemes amb Clang sol ser un bug tracker específic on se centralitzen tots els errors coneguts de paquets que no compilen o executen bé amb aquesta cadena d'eines. Si trobeu un error nou, s'anima a obrir un reporti i fer-lo bloquejar el bug de seguiment general, de manera que la comunitat pugui corregir-lo o documentar les seves solucions.

Si es comparen totes aquestes peces, es veu que el tàndem Clang + LLVM ofereix un ecosistema molt potent, flexible i modern, però que encara conviu estretament amb GCC a molts sistemes, sobretot en nivells tan delicats com la biblioteca C o paquets molt antics. Entendre bé en què es diferencien, com es complementen i quins ajustaments requereixen en flags, LTO o estàndards de llenguatge fa que canviar d'un a un altre deixi de ser un salt al buit i es converteixi en una eina més a favor teu quan muntes el teu entorn de desenvolupament o el teu sistema Linux a mida.

Isaac

Redactor apassionat del món dels bytes i la tecnologia en general. M'encanta compartir els meus coneixements a través de l'escriptura, i això és el que faré en aquest bloc, mostrar tot el més interessant sobre gadgets, programari, maquinari, tendències tecnològiques, i més. El meu objectiu és ajudar-te a navegar pel món digital de forma senzilla i entretinguda.