Differenze tra Clang e LLVM rispetto a GCC

Quando si guarda al mondo dei compilatori moderni, i nomi Clang e LLVM Compaiono ovunque e sono spesso usati in modo intercambiabile. Tuttavia, dietro questi acronimi si celano concetti distinti che vale la pena comprendere, soprattutto se si desidera ottenere il massimo dal proprio sistema, dalla propria distribuzione Linux o dai propri progetti C, C++ o Objective-C.

Nella pratica quotidiana, molti sviluppatori sono più abituati a GCC, ma sta diventando sempre più comune imbattersi in ambienti che danno priorità Clang come frontend e LLVM come infrastrutturaPassare da un compilatore all'altro non è solo una questione di eseguire un binario diverso: ci sono sfumature di compatibilità, ottimizzazioni, opzioni predefinite e comportamento in produzione che possono fare la differenza.

La prima cosa da chiarire è che LLVM non è un singolo compilatoreLLVM non è solo uno strumento o una libreria di compilazione che funge da base per vari frontend, tra cui Clang. Tra le altre cose, LLVM include ottimizzatori di codice intermedi, backend per la generazione di codice macchina per molte architetture e sostituti per strumenti classici come ar, nm, ranlib o anche linker come piccolo.

Clang, da parte sua, è il frontend di Linguaggi C, C++ e Objective-C, Objective-C++, CUDA e RenderScript all'interno dell'ecosistema LLVM. La sua funzione principale è analizzare il codice sorgente, verificarne la conformità allo standard del linguaggio, produrre una diagnostica chiara e tradurlo nella rappresentazione intermedia (IR) LLVM, che verrà poi ottimizzata e trasformata in codice eseguibile dal resto della toolchain.

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Pertanto, quando le persone parlano di "usare Clang" in un sistema, in realtà stanno usando Clang come compilatore front-end e LLVM come back-endcon la possibilità di affidarsi anche alle utilità complementari di LLVM (binutils, linker, librerie runtime, ecc.). È possibile, ad esempio, utilizzare Clang come sostituto diretto di GCC, ma continuare a utilizzare la libreria standard C++ di GCC, i suoi runtime e, in generale, gran parte dell'infrastruttura GNU.

Un punto importante è che, in molti sistemi Linux, i componenti GCC (libreria C++ standard, unwinder, OpenMP, librerie sanitizer, ecc.) sono ancora elementi costitutivi fondamentali del sistemaTuttavia, l'opzione di costruire una toolchain basata quasi interamente su LLVM si è gradualmente affermata, sostituendo anche gran parte delle GNU binutils e lasciando solo la classica libreria C come componente praticamente inevitabile, che di solito è glibc.

Relazione tra Clang, LLVM e GCC

Una volta chiarito il ruolo di ciascuno, è importante capire come Clang/LLVM e GCC si confrontino come toolchain complete. Entrambi i progetti perseguono un obiettivo simile: compilare codice efficiente e corretto per un gran numero di architetture e piattaforme, ma lo fanno con progettazioni interne diverse e con decisioni diverse riguardo ai valori predefiniti e alle estensioni del linguaggio.

Uno degli obiettivi dichiarati del progetto Clang è quello di mantenere un Elevata compatibilità con il codice progettato per GCCIn pratica, questo significa che in molte distribuzioni come Gentoo è possibile provare a usare Clang come compilatore predefinito per gran parte dei pacchetti di sistema. Tuttavia, questa idea di "usare Clang a livello di sistema" è ancora considerata in qualche modo sperimentale: alcuni pacchetti dipendono da estensioni GCC molto specifiche, altri assumono determinati comportamenti dalle opzioni predefinite di GCC e alcuni, pur compilando, presentano problemi di runtime.

Quando si forza l'uso globale di Clang e qualcosa si rompe, la soluzione classica è solitamente quella di definire un ambiente di fallback utilizzando GCCIn questo contesto, GCC viene utilizzato per i pacchetti che non funzionano bene con Clang o con le librerie e i runtime alternativi forniti da LLVM. Questo approccio misto, molto comune in Gentoo, viene implementato tramite configurazioni in /etc/portage/make.conf e file di ambiente specifici per ciascun compilatore.

Un altro aspetto in cui differiscono significativamente è il modo in cui implementano l' Ottimizzazione del tempo di collegamento (LTO)Clang/LLVM hanno sviluppato un proprio approccio, con ThinLTO come modalità consigliata, mentre GCC utilizza un design diverso per le sue fasi LTO. In pratica, ciò significa che il comportamento, le prestazioni e i potenziali guasti con LTO possono variare significativamente a seconda del compilatore utilizzato.

Differenze chiave rispetto al GCC

Tra le differenze più evidenti che influiscono sull'uso quotidiano ci sono le estensioni del linguaggio supportate da ciascun compilatore. Clang si impegna a essere compatibile con gran parte dell'ecosistema GCC, ma Non supporta alcune estensioni specifiche di GCC., come le funzioni annidate. Questo in particolare è uno dei motivi per cui Clang ha avuto difficoltà a compilare pacchetti critici come librerie di sistema/glibcTuttavia, si sta lavorando per rendere glibc più compatibile con strumenti alternativi.

Ci sono anche differenze nei flag relativi alla gestione delle operazioni in virgola mobile. GCC è attivo per impostazione predefinita. -ftrapping-math, mentre Clang usa di default -fno-trapping-mathQuesta divergenza implica che il comportamento nei confronti di determinate eccezioni in virgola mobile può variare tra i compilatori se lo sviluppatore non definisce esplicitamente come desidera che questi casi vengano gestiti nel proprio progetto.

Un altro punto chiave è il modo in cui gestiscono l'interposizione semantica. GCC la abilita di default. -fsemantic-interpositionCiò consente di interporre simboli tra librerie condivise secondo le regole di collegamento ELF, ma può limitare alcune ottimizzazioni interprocedurali. Clang, d'altra parte, esegue l'ottimizzazione inter-funzione per impostazione predefinita e offre l'opzione -fno-semantic-interposition per sfruttare ulteriormente queste ottimizzazioni quando il codice lo consente e non si basa sull'interposizione classica.

Queste differenze di progettazione possono sembrare sottili, ma hanno un impatto reale sul modo in cui il software viene compilato e si comporta. È comune che ciò che "funziona perfettamente" con GCC richieda... modifiche nei flag o nel codice sorgente per compilare ed eseguire correttamente con Clang e viceversa, soprattutto nei progetti che spingono i limiti dello standard o dipendono da dettagli molto precisi del collegamento.

Differenze minori ma rilevanti

A livello di opzioni di build predefinite, ci sono anche sfumature meno evidenti che vale la pena conoscere. Ad esempio, GCC utilizza questa opzione per impostazione predefinita. -ffp-contract=fast, mentre Clang assume il valore predefinito -ffp-contract=onLa configurazione di GCC è leggermente più aggressiva e può riordinare o ottimizzare in modi che, in determinati scenari numericamente sensibili, risultano leggermente più rischiosi. Clang, con le sue impostazioni predefinite, tende a essere più conservativo, un comportamento che molti considerano più sicuro, a meno che l'obiettivo non sia esplicitamente quello di massimizzare le prestazioni.

Per quanto riguarda la vettorizzazione, fino alla versione 12, GCC non eseguiva ottimizzazioni vettoriali a livello -O2 o inferioreClang, tuttavia, attiva le ottimizzazioni vettoriali a tutti i livelli superiori -O1, tranne en -Ozdove è limitato al vettorizzatore SLP. Sebbene questo raramente causi problemi diretti, spiega perché a volte lo stesso codice ottiene rendimenti diversi a seconda del compilatoreanche con flag di ottimizzazione apparentemente equivalenti.

Un altro aspetto in cui i due progetti divergono è la fase LTO. Si ritiene che le fasi LTO di GCC e Clang operino in modo diverso. drasticamente diversoCiò significa che i pacchetti che compilano e si comportano bene con LTO sotto GCC potrebbero non farlo con Clang, e viceversa. Non esiste una regola generale: in molti casi è una questione di test, bug specifici e particolarità di ogni progetto.

Inoltre, ci sono piccoli dettagli pratici, come il fatto che Clang, nella sua integrazione con alcune distribuzioni, Non installare direttamente su /usr/binma in percorsi specifici che vengono aggiunti alla variabile d'ambiente PATHCiò riguarda strumenti come sudo, che usano un PATH È esso stesso "imbiancato" e compilato nel binario, quindi quando appare una nuova versione di Clang, potrebbe non essere disponibile da sudo finché lo strumento dei privilegi non viene ricompilato o riconfigurato.

Installazione e configurazione con Clang/LLVM

Nelle distribuzioni come Gentoo, Clang e il resto dei componenti LLVM sono controllati tramite Flag USE e variabili specifiche come LLVM_TARGETSQuest'ultimo determina per quali architetture sono progettati i backend LLVM, un aspetto cruciale se si desidera supportare più CPU o dispositivi.

Per installare Clang, in genere si utilizza il gestore di pacchetti e, una volta installato sul sistema, è possibile configurarlo in modo che agisca come compilatore primario per determinati pacchetti o a livello globale. In Gentoo, il modo tipico per impostare Clang come compilatore predefinito è modificare le variabili. CC y CXX nel file /etc/portage/make.conf, indirizzandoli agli eseguibili Clang e al loro equivalente C++.

Un'altra strategia molto flessibile è quella di utilizzare i file di ambiente in /etc/portage/envdove vengono definiti un "profilo" del compilatore basato su Clang e un altro su GCC. Ciò consente l'assegnazione dei profili del compilatore tramite il file. /etc/portage/package.env, diversi compilatori per pacchettoAd esempio, utilizzare Clang per la maggior parte del sistema, ma forzare GCC sui pacchetti problematici o estremamente sensibili.

Ci sono dettagli storici da considerare. Prima della versione 14.0.0, Clang Non avevo scelta default-pie simile a quello del GCCQuesta richiesta di inclusione manuale -fPIC en CFLAGS y -pie en LDFLAGS per generare eseguibili con posizionamento indipendente. Nelle versioni moderne questo è stato semplificato, ma se si proviene da configurazioni precedenti è consigliabile rivedere e ripulire i riferimenti obsoleti nelle variabili flag.

In ogni caso, anche se si costruisce un sistema fortemente incentrato su Clang e LLVM, sarà comunque necessario GCC per determinati pacchetti come glibc o wine. Alcune distribuzioni mantengono dei bug tracker che compilano tutti i pacchetti che non riescono a compilare con Clang, aiutando a decidere quando ricorrere al compilatore GNU.

Ambienti di fallback e scelta del compilatore

Quando si utilizzano profili sperimentali incentrati su LLVM (non come la semplice installazione di Clang), sorgono delle limitazioni con gli ambienti di fallback. Un tipico ambiente "fallback GCC" potrebbe non funzionare correttamente se l'intero stack è configurato per utilizzare, ad esempio, libc++ come libreria C++ standardIn questi casi, bandiere come -stdlib=libc++ quando GCC viene richiamato in quell'ambiente di emergenza, e anche in quel caso il comportamento potrebbe non essere quello previsto.

L'idea pratica è quella di creare in /etc/portage/env un file di configurazione, ad esempio compiler-gcc, definendo le variabili d'ambiente necessarie per la compilazione con GCC. Quindi, in /etc/portage/package.envVengono assegnati i pacchetti che devono utilizzare questo ambiente. Questo schema viene ripetuto con diverse combinazioni: Clang senza LTO, Clang con LTO, GCC senza LTO, GCC con LTO, ecc.

Pertanto, quando un pacchetto fallisce con Clang (a causa di estensioni GCC, problemi LTO, dipendenze incrociate, ecc.), è sufficiente Aggiungilo all'elenco dei pacchetti compilati con un altro ambienteCiò rende la coesistenza di Clang e GCC piuttosto gestibile, a patto che si sia disciplinati nella manutenzione di tali file di configurazione.

A un livello più "umano", molti utenti si chiedono quale compilatore sceglierà uno script di configurazione quando entrambi sono installati. In genere, il sistema di compilazione segue regole chiare: considera variabili d'ambiente come CC y CXXControlla quali compilatori sono disponibili nel PATHe in alcuni casi dà priorità a nomi specifici come gcc o clangLa “preferenza” non è quindi magica: è determinata dalla configurazione del sistema e dai parametri definiti dall’utente.

Utilizzo avanzato di Clang/LLVM: LTO, PGO e altro

Clang si integra molto bene con tecniche di ottimizzazione avanzate come LTO (Link Time Optimization) e PGO (Profile Guided Optimization). Nel caso di LTO, il compilatore genera codice bit LLVM anziché codice oggetto tradizionale e rimanda la maggior parte delle ottimizzazioni alla fase di collegamento.

Clang supporta due tipi principali di LTO. Da un lato, il LTO completoche analizza l'intera unità di collegamento in una volta; è l'approccio classico, simile a GCC, ma al giorno d'oggi non è più consigliato come prima opzione. D'altra parte, c'è SottileLTOdove l'unità di collegamento viene scansionata e suddivisa in più parti. Ogni parte contiene solo il codice pertinente al suo ambito, riducendo il consumo di memoria, accelerando la compilazione e aumentando il parallelismo senza sacrificare eccessivamente le prestazioni.

In pratica, per attivare ThinLTO si utilizza un flag come -flto=thin nelle variabili di compilazione. Se si desidera utilizzare l'LTO completo, è sufficiente sostituirlo con -fltosenza significative differenze di compatibilità tra le due modalità. Tuttavia, vale la pena ricordare che se il pacchetto clang-common Non è stato costruito con il flag USE default-lld, sarà necessario aggiungere -fuse-ld=lld a LDFLAGS in modo che venga utilizzato il linker LLVM.

È anche possibile utilizzare gli strumenti binutils di LLVM, come llvm-ar, llvm-nm y llvm-ranlibSoprattutto quando si lavora con bitcode generato da LTO. Si tratta di alternative specificamente progettate per comprendere quel formato, sebbene l'esperienza pratica vari a seconda del progetto e non sempre offrano miglioramenti evidenti rispetto agli strumenti standard.

Per quanto riguarda PGO, l'ecosistema LLVM fornisce componenti come clang-runtime con flag USE sanitize y compiler-rt-sanitizers con bandiere come profile u orcAttivazione del flag USE pgo A livello globale o di pacchetto, le informazioni sull'esecuzione del programma in tempo reale possono essere raccolte e fornite al compilatore con questi profili, in modo che possa ottimizzare i percorsi del codice attivo in base all'utilizzo effettivo.

Oltre a quanto sopra, Clang funziona molto bene con sistemi di caching come ccachéUna volta installato Clang, questi progetti di solito funzionano quasi automaticamente, velocizzando le ricompilazioni. E nel campo più specializzato, progetti come elicaPropeller è un approccio PGO progettato per risolvere i problemi di strumenti come Bolt, in particolare il consumo di memoria. Propeller si basa su Clang e richiede dipendenze come... app-arch/zstd con il flag USE static-libs, oltre a una raccolta da una fonte abbastanza specifica.

Problemi comuni e come affrontarli usando Clang

Negli ambienti in cui Clang funge da compilatore principale, gli errori più comuni tendono a raggrupparsi in pochi schemi tipici. Un primo chiaro esempio è errori di compilazione durante l'utilizzo di LTOSe un pacchetto è compilato con -flto E se nei log di Portage compaiono errori ricorrenti, una soluzione pratica è quella di disabilitare LTO per quel pacchetto specifico utilizzando un ambiente come compiler-clang senza LTO.

A volte, anche se LTO è disabilitato nel pacchetto difettoso, il problema persiste perché Un'altra libreria dipendente è stata compilata con LTO e non funziona correttamenteUn esempio classico è quando un pacchetto come boehm-gc Scoppia a causa della sua dipendenza libatomic_ops È compilato con LTO e produce un comportamento imprevisto. In questi casi, anche la dipendenza senza LTO deve essere ricostruita e bisogna assicurarsi che entrambi i pacchetti siano compilati con un ambiente coerente.

Un altro tipo comune di problema si verifica quando il codice sorgente utilizza Estensioni GNU senza specificare lo standard corretto attraverso la bandiera -std=GCC in genere consente molti di questi utilizzi senza richiedere uno standard specifico, mentre Clang disabilita alcune di queste estensioni più rare, a meno che non sia esplicitamente specificato. Se un pacchetto dipende da queste estensioni, deve essere compilato con flag come -std=gnu89, -std=gnu99 o -std=gnu++98, in base alla lingua e allo standard previsto.

Un sintomo tipico di questo problema è vedere più definizioni di funzioni in linea nei log di compilazione. Questo perché Clang, per impostazione predefinita, utilizza le regole inline C99, che non si integrano bene con il codice progettato per gnu89In quello scenario, forzando -std=gnu89 Di solito questo è sufficiente; in caso contrario, c'è sempre la possibilità di compilare il pacchetto in conflitto con GCC utilizzando uno degli ambienti di fallback.

I dubbi si riscontrano spesso anche quando il sistema segnala errori come sudo: clang: command not foundQuello che succede lì è che Clang è stato installato in un percorso che viene aggiunto al PATH dall'utente, ma sudo mantiene il proprio PATH internoIl percorso definito durante la compilazione binaria non includerà il percorso di Clang finché sudo non verrà ricompilato o la sua configurazione non verrà modificata. Pertanto, sudo non troverà Clang, sebbene un utente normale possa eseguirlo senza problemi.

Per coloro che utilizzano Gentoo o altre distribuzioni con un monitoraggio dettagliato dei bug, il riferimento principale per i problemi di Clang è solitamente uno specifico bug tracker Qui vengono centralizzati tutti i bug noti nei pacchetti che non vengono compilati o eseguiti correttamente con questa toolchain. Se viene rilevato un nuovo bug, gli utenti sono incoraggiati ad aprire una segnalazione e a bloccarla nel bug tracker generale, in modo che la community possa correggerlo o documentare le proprie soluzioni.

Se confronti tutti questi pezzi, puoi vedere che il tandem Clang + LLVM Offre un ecosistema molto potente, flessibile e moderno, che tuttavia coesiste strettamente con GCC in molti sistemi, soprattutto a livelli sensibili come la libreria C o pacchetti molto vecchi. Comprendere le loro differenze, come si completano a vicenda e quali modifiche sono necessarie a flag, LTO o standard linguistici rende il passaggio da uno all'altro meno un salto nel vuoto e più uno strumento prezioso per la configurazione del proprio ambiente di sviluppo o sistema Linux personalizzato.

Isaac

Scrittore appassionato del mondo dei byte e della tecnologia in generale. Adoro condividere le mie conoscenze attraverso la scrittura, ed è quello che farò in questo blog, mostrarti tutte le cose più interessanti su gadget, software, hardware, tendenze tecnologiche e altro ancora. Il mio obiettivo è aiutarti a navigare nel mondo digitale in modo semplice e divertente.