ClangとLLVMとGCCの違い

現代のコンパイラの世界を見てみると、 ClangとLLVM これらは至る所で見かけ、しばしば互換的に使われています。しかし、これらの頭字語の背後には、特にシステム、Linuxディストリビューション、あるいはC、C++、Objective-Cプロジェクトを最大限に活用したい場合、理解する価値のある明確な概念が隠されています。

日常の実践では、多くの開発者はGCCに慣れていますが、GCCを優先する環境に遭遇することがますます一般的になっています。 フロントエンドとしてClang、インフラストラクチャとしてLLVMあるコンパイラから別のコンパイラに切り替えることは、単に異なるバイナリを実行するだけの問題ではありません。互換性、最適化、デフォルト オプション、および実稼働時の動作における微妙な違いが、大きな違いを生む可能性があります。

まず明確にしておきたいのは LLVMは単一のコンパイラではないLLVMは、Clangを含む様々なフロントエンドの基盤となるツールやコンパイルライブラリだけではありません。LLVMには、中間コード最適化ツール、多くのアーキテクチャ向けのマシンコード生成バックエンド、そして以下のような従来のツールの代替機能などが含まれています。 ar, nm, ranlib あるいは以下のようなリンカーも lld.

一方、Clangは フロントエンド C、C++、Objective-C言語、Objective-C++、CUDA、RenderScript LLVMエコシステム内で機能します。主な機能は、ソースコードを分析し、言語標準に準拠しているかどうかを確認し、明確な診断結果を生成してLLVM中間表現（IR）に変換することです。その後、ツールチェーンの残りの部分によって最適化され、実行可能コードに変換されます。

そのため、システムで「Clangを使用する」と話すとき、実際には フロントエンドコンパイラとしてClang、バックエンドとしてLLVMLLVMの補完的なユーティリティ（binutils、リンカー、ランタイムライブラリなど）を利用するオプションもあります。例えば、ClangをGCCの直接的な代替として使用しつつ、GCC C++標準ライブラリ、そのランタイム、そして一般的にはGNUインフラストラクチャの大部分を引き続き使用することも可能です。

重要な点の一つは、多くのLinuxシステムでは、GCCコンポーネント（標準C++ライブラリ、アンワインダー、OpenMP、サニタイザーライブラリなど）がまだ システムの基本的な構成要素それでも、LLVMをベースにしたツールチェーンを構築するという選択肢が徐々に確立され、GNU binutilsの大部分を置き換え、実質的に避けられないコンポーネントとして古典的なCライブラリだけを残すようになりました。 glibcの.

Clang、LLVM、GCCの関係

それぞれの役割が明確になったら、Clang/LLVMとGCCを完全なツールチェーンとしてどのように比較するかを理解することが重要です。どちらのプロジェクトも、同様の目標を追求しています。 効率的で正しいコードをコンパイルする 多数のアーキテクチャとプラットフォームで使用されていますが、内部設計が異なり、デフォルト値や言語拡張に関する決定も異なります。

Clangプロジェクトの目標の一つは、 GCC用に設計されたコードとの高い互換性実際には、Gentooのような多くのディストリビューションでは、システムパッケージの大部分でClangをデフォルトコンパイラとして試すことができます。しかし、「システム全体でClangを使用する」というこの考え方は、まだ実験的な段階です。一部のパッケージは非常に特殊なGCC拡張機能に依存しており、他のパッケージはGCCのデフォルトオプションから特定の動作を前提としています。また、コンパイルはできても実行時に問題が発生するパッケージもあります。

Clangのグローバル使用が強制され、何かが壊れる場合、典型的な解決策は通常、環境を定義することです。 GCCを使用したフォールバックこの文脈では、GCCはClangやLLVMが提供する代替ライブラリやランタイムではうまく動作しないパッケージに使用されます。この混合アプローチはGentooで非常に一般的であり、以下の設定を通じて実装されます。 /etc/portage/make.conf 各コンパイラに固有の環境ファイル。

もう一つ大きく異なる点は、 リンク時間最適化（LTO）Clang/LLVMは独自のアプローチを開発し、ThinLTOを推奨モードとしています。一方、GCCはLTOフェーズに異なる設計を採用しています。実際には、LTOの動作、パフォーマンス、そして潜在的な障害は、使用するコンパイラによって大きく異なる可能性があります。

GCCとの主な違い

日常的な使用に影響を与える最も顕著な違いの一つは、各コンパイラがサポートする言語拡張です。ClangはGCCエコシステムの大部分との互換性を保つよう努めていますが、 特定の GCC 固有の拡張機能はサポートされていません。ネストされた関数など。特にこれが、Clangが以下のような重要なパッケージのコンパイルに苦労してきた理由の一つです。 sys-libs/glibcただし、glibc と代替ツールとの互換性を高めるための作業が進行中です。

浮動小数点演算の処理に関連するフラグにも違いがあります。GCC はデフォルトで有効になっています。 -ftrapping-math一方、Clangではデフォルトで -fno-trapping-mathこの相違は、開発者がプロ​​ジェクト内でこれらのケースをどのように処理するかを明示的に定義していない場合、特定の浮動小数点例外に対する動作がコンパイラ間で異なる可能性があることを意味します。

もう一つの重要なポイントは、セマンティック介入をどのように処理するかです。GCC では、これがデフォルトで有効になっています。 -fsemantic-interpositionこれにより、ELFリンク規則に従って共有ライブラリ間でシンボルを挿入することが可能になりますが、一部の関数間最適化が制限される可能性があります。一方、Clangはデフォルトで関数間最適化を実行し、以下のオプションを提供しています。 -fno-semantic-interposition コードが許可し、従来の介入に基づいていない場合に、これらの最適化をさらに活用します。

これらの設計上の違いは些細なものに見えるかもしれませんが、ソフトウェアのコンパイルや動作に深刻な影響を与えます。GCC で「完璧に動作する」ものが、実際には…を必要とすることはよくあります。 フラグまたはソースコードの調整 特に、標準の限界を押し広げるプロジェクトや、リンクの非常に細かい詳細に依存するプロジェクトでは、Clang で正しくコンパイルして実行したり、その逆を行ったりできます。

些細だが重要な違い

デフォルトのビルドオプションのレベルでは、あまり目立たないニュアンスでも知っておく価値のあるものがあります。例えば、GCC はデフォルトでこのオプションを使用します。 -ffp-contract=fastClangはデフォルト値を取る -ffp-contract=onGCC の設定はやや積極的で、数値的に敏感な特定のシナリオではややリスクの高い方法で順序変更や最適化を行うことがあります。一方、Clang のデフォルト設定はより保守的になる傾向があり、パフォーマンスの最大化を明示的に目的としていない限り、より安全な動作であると考える人が多いようです。

ベクトル化に関しては、バージョン12まではGCCはベクトル最適化を次のレベルで実行していませんでした。 -O2 またはそれ以下しかし、Clangは上記のすべてのレベルでベクトル最適化を有効にします。 -O1ただし、 -OzSLPベクトル化器に限定されます。これは直接的な問題を引き起こすことは稀ですが、同じコードが コンパイラによって異なる出力一見同等の最適化フラグを使用している場合でも同様です。

LTOフェーズは、2つのプロジェクトが分岐するもう一つの領域です。GCCとClangのLTOフェーズは、異なる方法で運営されていると考えられています。 大幅に異なるつまり、GCC の LTO でコンパイルして正常に動作するパッケージが、Clang では正常に動作しない可能性があり、その逆も同様です。一般的なルールはありません。多くの場合、これはテスト、具体的なバグ、そして各プロジェクトの特殊性によって決まります。

さらに、Clangが特定のディストリビューションと統合される際に、 直接インストールしないでください /usr/binしかし、環境変数に追加された特定のルートでは PATHこれは次のようなツールに影響します sudo、使用する PATH それ自体は「ホワイトウォッシュ」されてバイナリにコンパイルされているため、Clangの新しいバージョンが登場すると、 sudo 権限ツールが再コンパイルまたは再構成されるまで。

Clang/LLVM によるインストールと設定

Gentooのようなディストリビューションでは、Clangやその他のLLVMコンポーネントは、 USEフラグ および特定の変数 LLVM_TARGETSこの最後のものは、LLVM バックエンドがどのアーキテクチャ用に構築されるかを決定します。これは、複数の CPU またはデバイスをサポートする場合に非常に重要です。

Clangをインストールするには、通常パッケージマネージャを使用します。システムにインストールしたら、特定のパッケージまたはグローバルにClangをプライマリコンパイラとして設定できます。Gentooでは、Clangをデフォルトのコンパイラとして設定する一般的な方法は、以下の変数を変更することです。 CC y CXX ファイル内 /etc/portage/make.conf、Clang 実行可能ファイルとそれに相当する C++ を参照します。

もう一つの非常に柔軟な戦略は、環境ファイルを使用することです。 /etc/portage/envClangベースのコンパイラ「プロファイル」とGCCベースのコンパイラ「プロファイル」が定義されています。これにより、ファイルを介してコンパイラプロファイルを割り当てることができます。 /etc/portage/package.env, パッケージごとに異なるコンパイラたとえば、システムの大部分には Clang を使用しますが、問題のあるパッケージや非常に機密性の高いパッケージには GCC を強制します。

考慮すべき歴史的な詳細があります。バージョン14.0.0より前のClangでは 選択肢がなかった default-pie GCCと同様これには手動での組み込みが必要でした -fPIC en CFLAGS y -pie en LDFLAGS 独立した位置を持つ実行ファイルを生成します。最新バージョンではこれは簡素化されていますが、古い構成から移行する場合は、フラグ変数内の古い参照を確認してクリーンアップすることをお勧めします。

いずれにせよ、ClangとLLVMに重点を置いたシステムを構築する場合でも、 特定のパッケージ用のGCC glibcやwineなど。一部のディストリビューションでは、Clangでコンパイルできないすべてのパッケージをコンパイルするバグトラッカーが整備されており、GNUコンパイラを使用するべきかどうかを判断するのに役立ちます。

フォールバック環境とコンパイラの選択

実験的なLLVM中心のプロファイルを使用する場合（単にClangをインストールするのとは異なります）、フォールバック環境に制限が生じます。例えば、スタック全体が以下の設定になっている場合、典型的な「GCCフォールバック」環境はそのままでは動作しない可能性があります。 標準 C++ ライブラリとしての libc++そのような場合、次のような旗 -stdlib=libc++ GCC がその緊急環境で呼び出された場合、その場合でも動作は期待どおりにならない可能性があります。

実用的なアイデアとしては、 /etc/portage/env 設定ファイル、例えば compiler-gccGCCでコンパイルするために必要な環境変数を定義します。次に、 /etc/portage/package.envこの環境を使用する必要があるパッケージが割り当てられます。このパターンは、LTOなしのClang、LTOありのClang、LTOなしのGCC、LTOありのGCCなど、さまざまな組み合わせで繰り返されます。

したがって、Clangでパッケージが失敗する場合は（GCC拡張、LTO問題、相互依存性などにより）、 別の環境でコンパイルされたパッケージのリストに追加しますこれにより、これらの構成ファイルを厳密に管理すれば、Clang と GCC の共存が非常に管理しやすくなります。

より「人間的」なレベルでは、多くのユーザーは、両方のコンパイラがインストールされている場合、設定スクリプトがどちらのコンパイラを選択するのか疑問に思うでしょう。通常、ビルドシステムは明確なルールに従います。例えば、次のような環境変数を参照します。 CC y CXX利用可能なコンパイラを確認する PATH場合によっては、特定の名前を優先することもあります。 gcc o clangしたがって、「設定」は魔法ではありません。システム構成とユーザーが定義したパラメータによって決まります。

Clang/LLVM の高度な使用法: LTO、PGO など

Clangは、 高度な最適化技術 LTO（リンク時最適化）やPGO（プロファイルに基づく最適化）など。LTOの場合、コンパイラは従来のオブジェクトコードではなくLLVMビットコードを生成し、最適化の大部分をリンクフェーズに委ねます。

Clangは主に2種類のLTOをサポートしています。 LTO完了これはリンクユニット全体を一度に解析するものです。GCCに似た古典的なアプローチですが、現在では最初の選択肢としては推奨されなくなりました。一方で、 ThinLTOリンクユニットはスキャンされ、複数の部分に分割されます。各部分には、そのスコープに関連するコードのみが含まれるため、メモリ消費量が削減され、コンパイル速度が向上し、パフォーマンスをあまり犠牲にすることなく並列性が向上します。

実際には、ThinLTOをアクティブにするには、次のようなフラグが使用されます。 -flto=thin コンパイル変数で。LTO全体を使用する場合は、これを次のように置き換えてください。 -flto2つのモード間に大きな互換性の違いはありません。ただし、パッケージが clang-common USEフラグ付きでビルドされていない default-lld、追加する必要がある -fuse-ld=lld a LDFLAGS LLVM リンカーが使用されるようにします。

LLVMのbinutilsツールも使用できます。 llvm-ar, llvm-nm y llvm-ranlib特にLTOで生成されたビットコードを扱う場合。これらはLTO形式を理解するために特別に設計された代替手段ですが、実際の使用感はプロジェクトによって異なり、必ずしも標準ツールに比べて明確な改善が得られるとは限りません。

PGOに関しては、LLVMエコシステムは次のようなコンポーネントを提供しています。 clang-runtime USEフラグ付き sanitize y compiler-rt-sanitizers 次のような旗で profile u orcUSEフラグを有効にする pgo グローバル レベルまたはパッケージ レベルで、リアルタイムのプログラム実行情報を収集し、これらのプロファイルを使用してコンパイラーに提供することで、実際の使用状況に基づいてホット コード パスを最適化できます。

上記に加えて、Clangは次のようなキャッシュシステムと非常にうまく連携します。 キャッシュClangがインストールされると、これらのプロジェクトは通常ほぼ自動的に動作し、再コンパイルが高速化されます。より専門的な分野では、次のようなプロジェクトもあります。 プロペラPropellerは、Boltなどのツールにおける問題、特にメモリ消費に対処するために設計されたPGOアプローチです。PropellerはClangに依存しており、次のような依存関係が必要です... app-arch/zstd USEフラグ付き static-libs、かなり特定のソースからの編集に加えて。

Clang でよくある問題とその対処法

Clangがメインコンパイラとして動作する環境では、最も一般的なエラーはいくつかの典型的なパターンに集約される傾向があります。最初のわかりやすい例は、 LTO使用時のコンパイルエラーパッケージが -flto Portageのログにエラーが繰り返し表示される場合、実用的な解決策としては、次のような環境を使用して、特定のパッケージのLTOを無効にすることです。 compiler-clang LTOなし。

場合によっては、障害が発生したパッケージでLTOが無効になっているにもかかわらず、以下の理由で問題が解決しないことがあります。 別の依存ライブラリがLTOでコンパイルされ、機能不全に陥っています典型的な例としては、次のようなパッケージがあります。 boehm-gc 依存しているから破裂する libatomic_ops LTO 付きでコンパイルされており、予期しない動作が発生する場合。このような場合は、LTO なしの依存関係も再構築する必要があり、両方のパッケージが一貫した環境でコンパイルされていることを確認する必要があります。

もう一つのよくある問題は、ソースコードが 正しい標準を指定せずにGNU拡張機能を使用する 旗を通して -std=GCCは通常、特定の標準を必要とせずにこれらの用途の多くを許可しますが、Clangは明示的に指定されない限り、これらのまれな拡張機能の一部を無効にします。パッケージがこれらの拡張機能に依存する場合、次のようなフラグを付けてコンパイルする必要があります。 -std=gnu89, -std=gnu99 o -std=gnu++98言語と期待される標準に応じて適宜。

この問題の典型的な症状は、 複数のインライン関数定義 コンパイルログに記録されます。これは、ClangがデフォルトでC99のインラインルールを使用しているためです。これは、 gnu89このシナリオでは、強制的に -std=gnu89 通常はこれで十分ですが、そうでない場合は、フォールバック環境の 1 つを使用して、競合するパッケージを GCC でコンパイルするというオプションが常にあります。

システムが次のようなエラーを表示する場合にも、疑問が生じることがよくあります。 sudo: clang: command not foundここで何が起こっているかというと、Clangが追加されたパスにインストールされているということです。 PATH ユーザーからではなく sudoは独自の内部PATHを維持するバイナリコンパイルプロセス中に定義されたパスには、sudo が再コンパイルされるか設定が変更されるまで Clang のパスは含まれません。そのため、通常のユーザーは問題なく Clang を実行できますが、sudo は Clang を見つけることができません。

Gentooや詳細なバグトラッキング機能を備えた他のディストリビューションを使用している場合、Clangの問題に関する主な参考資料は通常、 特定のバグトラッカー このツールチェーンでは正しくコンパイルまたは実行されないパッケージの既知のバグはすべてここに集約されます。新しいバグが見つかった場合は、ユーザーの皆様にレポートを作成して一般バグトラッカーにロックしていただくようお願いいたします。そうすることで、コミュニティがバグを修正したり、解決策を文書化したりできるようになります。

これらのピースをすべて比較すると、タンデム Clang + LLVM 非常に強力で柔軟性が高く、最新のエコシステムを提供しますが、多くのシステム、特にCライブラリや非常に古いパッケージといった機密性の高いレベルでは、GCCと密接に共存しています。両者の違い、相互補完性、そしてフラグ、LTO、言語標準においてどのような調整が必要かを理解することで、両者間の切り替えは未知の世界への飛躍ではなく、開発環境やカスタムLinuxシステムの構築時に有用なツールとなります。