Verschillen tussen Clang en LLVM versus GCC

Als je kijkt naar de wereld van moderne compilers, dan zie je dat de namen Clang en LLVM Ze duiken overal op en worden vaak door elkaar gebruikt. Achter deze afkortingen schuilen echter verschillende concepten die het waard zijn om te begrijpen, vooral als je het maximale uit je systeem, je Linux-distributie of je C-, C++- of Objective-C-projecten wilt halen.

In de dagelijkse praktijk zijn veel ontwikkelaars meer gewend aan GCC, maar het komt steeds vaker voor dat je omgevingen tegenkomt die prioriteit geven aan Clang als frontend en LLVM als infrastructuur.Overstappen van de ene compiler naar de andere is niet alleen een kwestie van een ander binair bestand uitvoeren: er zijn nuances in compatibiliteit, optimalisaties, standaardopties en productiegedrag die een wereld van verschil kunnen maken.

Het eerste dat we moeten verduidelijken is dat LLVM is geen enkele compiler.LLVM is niet zomaar een tool of een compilatiebibliotheek die als basis dient voor diverse frontends, waaronder Clang. LLVM bevat onder andere optimizers voor tussenliggende code, backends voor het genereren van machinecode voor vele architecturen en vervangingen voor klassieke tools zoals ar, nm, ranlib of zelfs verbindingsstukken zoals lld.

Clang is op zijn beurt de frontend van De talen C, C++ en Objective-CObjective-C++, CUDA en RenderScript Binnen het LLVM-ecosysteem is de belangrijkste functie het analyseren van de broncode, controleren of deze voldoet aan de taalstandaard, duidelijke diagnoses genereren en de code vertalen naar de LLVM Intermediate Representation (IR). Deze IR wordt vervolgens geoptimaliseerd en door de rest van de toolchain omgezet in uitvoerbare code.

Wanneer mensen het dus hebben over "Clang gebruiken" in een systeem, bedoelen ze eigenlijk "Clang gebruiken". Clang als front-end compiler en LLVM als back-end.met de mogelijkheid om ook gebruik te maken van de aanvullende hulpprogramma's van LLVM (binutils, linker, runtimebibliotheken, enz.). Het is bijvoorbeeld mogelijk om Clang als directe vervanging voor GCC te gebruiken, maar tegelijkertijd de GCC C++-standaardbibliotheek, de bijbehorende runtimes en, in het algemeen, een groot deel van de GNU-infrastructuur te blijven gebruiken.

Een belangrijk punt is dat in veel Linux-systemen de GCC-componenten (standaard C++-bibliotheek, unwinder, OpenMP, sanitizer-bibliotheken, enz.) nog steeds aanwezig zijn. fundamentele bouwstenen van het systeemDesondanks is de optie om een ​​toolchain te bouwen die bijna volledig op LLVM is gebaseerd, geleidelijk aan ingeburgerd geraakt. Het heeft zelfs een groot deel van de GNU binutils vervangen, waardoor alleen de klassieke C-bibliotheek overblijft als een praktisch onvermijdelijk onderdeel, wat doorgaans glibc.

Relatie tussen Clang, LLVM en GCC

Zodra de rol van elk project duidelijk is, is het belangrijk te begrijpen hoe Clang/LLVM en GCC zich tot elkaar verhouden als complete toolchains. Beide projecten streven een vergelijkbaar doel na: compileer efficiënte en correcte code voor een groot aantal architecturen en platformen, maar ze doen dat met verschillende interne ontwerpen en met verschillende keuzes met betrekking tot standaardwaarden en taaluitbreidingen.

Een van de gestelde doelen van het Clang-project is het onderhouden van een Hoge compatibiliteit met code ontworpen voor GCC.In de praktijk betekent dit dat je in veel distributies zoals Gentoo kunt proberen Clang als standaardcompiler te gebruiken voor een groot deel van de systeempakketten. Dit idee om "Clang systeembreed te gebruiken" wordt echter nog steeds als enigszins experimenteel beschouwd: sommige pakketten zijn afhankelijk van zeer specifieke GCC-extensies, andere gaan uit van bepaald gedrag op basis van de standaardopties van GCC, en sommige, hoewel ze compileren, hebben runtimeproblemen.

Wanneer het gebruik van Clang wereldwijd wordt afgedwongen en er iets misgaat, is de klassieke oplossing meestal om een ​​omgeving te definiëren die... Terugvaloptie met GCCIn deze context wordt GCC gebruikt voor pakketten die niet goed werken met Clang of met de alternatieve bibliotheken en runtimes die door LLVM worden aangeboden. Deze gemengde aanpak, die veel voorkomt in Gentoo, wordt geïmplementeerd via configuraties in /etc/portage/make.conf en omgevingsbestanden die specifiek zijn voor elke compiler.

Een ander aspect waarin ze aanzienlijk verschillen, is de manier waarop ze de implementatie uitvoeren. Linktijdoptimalisatie (LTO)Clang/LLVM hebben hun eigen aanpak ontwikkeld, met ThinLTO als de aanbevolen modus, terwijl GCC een ander ontwerp gebruikt voor zijn LTO-fasen. In de praktijk betekent dit dat het gedrag, de prestaties en de mogelijke fouten met LTO aanzienlijk kunnen variëren, afhankelijk van de gebruikte compiler.

Belangrijkste verschillen ten opzichte van de GCC

Een van de meest opvallende verschillen die het dagelijks gebruik beïnvloeden, zijn de taalextensies die elke compiler ondersteunt. Clang streeft ernaar compatibel te zijn met een groot deel van het GCC-ecosysteem, maar Het biedt geen ondersteuning voor bepaalde GCC-specifieke extensies., zoals geneste functies. Dit is met name een van de redenen waarom Clang moeite heeft gehad met het compileren van zulke cruciale pakketten als sys-libs/glibcEr wordt echter gewerkt aan het verbeteren van de compatibiliteit van glibc met alternatieve tools.

Er zijn ook verschillen in de vlaggen met betrekking tot de afhandeling van drijvende-komma-bewerkingen. GCC is standaard actief. -ftrapping-math, terwijl Clang standaard gebruikt -fno-trapping-mathDeze divergentie impliceert dat het gedrag ten aanzien van bepaalde floating-point-uitzonderingen kan verschillen tussen compilers als de ontwikkelaar niet expliciet definieert hoe deze gevallen in het project moeten worden afgehandeld.

Een ander belangrijk punt is hoe ze omgaan met semantische interpositie. GCC schakelt dit standaard in. -fsemantic-interpositionDit maakt het mogelijk om symbolen tussen gedeelde bibliotheken te plaatsen volgens de ELF-koppelingsregels, maar het kan sommige interprocedurele optimalisaties beperken. Clang daarentegen voert standaard interfunctie-optimalisatie uit en biedt de optie -fno-semantic-interposition om deze optimalisaties verder te benutten wanneer de code dit toelaat en niet gebaseerd is op klassieke interpositie.

Deze ontwerpverschillen lijken misschien subtiel, maar ze hebben een reële impact op hoe software compileert en zich gedraagt. Het komt vaak voor dat wat "perfect werkt" met GCC, andere vereisten stelt... aanpassingen in vlaggen of in de broncode om correct te compileren en uit te voeren met Clang en vice versa, met name in projecten die de grenzen van de standaard opzoeken of afhankelijk zijn van zeer specifieke details van de koppeling.

Kleine maar relevante verschillen

Ook op het niveau van de standaard build-opties zijn er minder voor de hand liggende nuances die het waard zijn om te kennen. GCC gebruikt bijvoorbeeld standaard de optie. -ffp-contract=fast, terwijl Clang de standaardwaarde gebruikt -ffp-contract=onDe configuratie van GCC is wat agressiever en kan processen herschikken of optimaliseren op manieren die in bepaalde numeriek gevoelige scenario's wat riskanter zijn. Clang, met zijn standaardinstellingen, is doorgaans conservatiever, wat door velen als veiliger wordt beschouwd, tenzij het doel expliciet is om de prestaties te maximaliseren.

Wat vectorisatie betreft, voerde GCC tot versie 12 geen vectoroptimalisaties uit op dat niveau. -O2 of lagerClang activeert echter wel vectoroptimalisaties op alle niveaus daarboven. -O1, behalve in -Ozwaarbij het beperkt is tot de SLP-vectorizer. Hoewel dit zelden directe problemen veroorzaakt, verklaart het waarom dezelfde code soms wel werkt. verschillende opbrengsten afhankelijk van de compilerzelfs met ogenschijnlijk gelijkwaardige optimalisatievlaggen.

De LTO-fasen vormen een ander gebied waarop de twee projecten van elkaar verschillen. De LTO-fasen van GCC en Clang worden geacht op een andere manier te functioneren. drastisch verschillendDit betekent dat pakketten die goed compileren en werken met LTO onder GCC, dat mogelijk niet doen met Clang, en omgekeerd. Er is geen algemene regel: in veel gevallen is het een kwestie van testen, specifieke bugs en de bijzonderheden van elk project.

Daarnaast zijn er nog kleine praktische details, zoals het feit dat Clang, bij de integratie met bepaalde distributies, Niet rechtstreeks installeren op /usr/binmaar in specifieke routes die aan de omgevingsvariabele worden toegevoegd PATHDit heeft gevolgen voor tools zoals sudodie gebruikmaken van een PATH Het wordt zelf "verhuld" en in het binaire bestand opgenomen, dus wanneer er een nieuwe versie van Clang verschijnt, is deze mogelijk niet meer beschikbaar. sudo totdat de privilege-tool opnieuw is gecompileerd of geconfigureerd.

Installatie en configuratie met Clang/LLVM

In distributies zoals Gentoo worden Clang en de overige LLVM-componenten beheerd via Gebruik vlaggen en specifieke variabelen zoals LLVM_TARGETSDeze laatste factor bepaalt voor welke architecturen LLVM-backends zijn ontwikkeld, iets cruciaals als je meerdere CPU's of apparaten wilt ondersteunen.

Om Clang te installeren, gebruik je doorgaans de pakketbeheerder. Zodra het op je systeem staat, kun je het configureren als de primaire compiler voor bepaalde pakketten of globaal. In Gentoo is de gebruikelijke manier om Clang als standaardcompiler in te stellen het aanpassen van de variabelen. CC y CXX in het bestand /etc/portage/make.confwaarbij ze worden doorverwezen naar de Clang-executables en hun C++-equivalenten.

Een andere zeer flexibele strategie is het gebruik van omgevingsbestanden in /etc/portage/envwaarin een compilerprofiel op basis van Clang en een ander op basis van GCC zijn gedefinieerd. Dit maakt het mogelijk om compilerprofielen via het bestand toe te wijzen. /etc/portage/package.env, verschillende compilers per pakketGebruik bijvoorbeeld Clang voor het grootste deel van het systeem, maar dwing GCC af voor problematische of zeer gevoelige pakketten.

Er zijn historische details om rekening mee te houden. Vóór versie 14.0.0 gebruikte Clang Ik had geen andere keuze. default-pie vergelijkbaar met die van de GCCDit vereiste handmatige invoeging. -fPIC en CFLAGS y -pie en LDFLAGS Om uitvoerbare bestanden met onafhankelijke positionering te genereren. In moderne versies is dit vereenvoudigd, maar als u van oudere configuraties komt, is het raadzaam om verouderde verwijzingen in de vlagvariabelen te controleren en op te schonen.

In elk geval, zelfs als je een systeem bouwt dat sterk gericht is op Clang en LLVM, zul je nog steeds het volgende nodig hebben GCC voor bepaalde pakketten zoals glibc of wine. Sommige distributies onderhouden bugtrackers die alle pakketten verzamelen die niet compileren met Clang, waardoor men kan bepalen wanneer de GNU-compiler moet worden gebruikt.

Terugvalomgevingen en compilerkeuze

Bij het gebruik van experimentele, op LLVM gerichte profielen (niet hetzelfde als simpelweg Clang installeren) ontstaan ​​er beperkingen met betrekking tot fallback-omgevingen. Een typische "GCC fallback"-omgeving werkt mogelijk niet direct als de volledige stack bijvoorbeeld is ingesteld om gebruik te maken van... libc++ als standaard C++-bibliotheekIn die gevallen worden bijvoorbeeld vlaggen gebruikt -stdlib=libc++ Wanneer GCC in die noodsituatie wordt aangeroepen, is het mogelijk dat het gedrag zelfs dan niet aan de verwachtingen voldoet.

Het praktische idee is om te creëren in /etc/portage/env een configuratiebestand, bijvoorbeeld compiler-gccwaarbij de omgevingsvariabelen worden gedefinieerd die nodig zijn om met GCC te compileren. Vervolgens, in /etc/portage/package.envDe pakketten die deze omgeving moeten gebruiken, worden toegewezen. Dit patroon wordt herhaald met verschillende combinaties: Clang zonder LTO, Clang met LTO, GCC zonder LTO, GCC met LTO, enzovoort.

Als een pakket dus niet werkt met Clang (vanwege GCC-extensies, LTO-problemen, onderlinge afhankelijkheden, enz.), is het voldoende om Voeg het toe aan de lijst met pakketten die met een andere omgeving zijn gecompileerd.Hierdoor is het naast elkaar bestaan ​​van Clang en GCC vrij goed te doen, mits je de configuratiebestanden nauwgezet bijhoudt.

Op een meer "menselijk" niveau vragen veel gebruikers zich af welke compiler een configuratiescript zal kiezen wanneer beide zijn geïnstalleerd. Het buildsysteem volgt doorgaans duidelijke regels: het kijkt naar omgevingsvariabelen zoals... CC y CXXControleer welke compilers beschikbaar zijn in de PATHen geeft in sommige gevallen prioriteit aan specifieke namen zoals gcc o clangDe "voorkeur" is dus geen toverkunst: deze wordt bepaald door de systeemconfiguratie en de door de gebruiker gedefinieerde parameters.

Geavanceerd gebruik van Clang/LLVM: LTO, PGO en meer

Clang integreert erg goed met geavanceerde optimalisatietechnieken zoals LTO (Link Time Optimization) en PGO (Profile Guided Optimization). Bij LTO genereert de compiler LLVM-bitcode in plaats van traditionele objectcode en worden de meeste optimalisaties uitgesteld tot de linkfase.

Clang ondersteunt twee hoofdtypen LTO. Enerzijds de LTO voltooiddie de hele link-eenheid in één keer analyseert; het is de klassieke aanpak, vergelijkbaar met GCC, maar tegenwoordig wordt het niet meer aanbevolen als eerste optie. Aan de andere kant is er DunneLTOwaarbij de link-eenheid wordt gescand en in meerdere delen wordt verdeeld. Elk deel bevat alleen de code die relevant is voor het betreffende bereik, waardoor het geheugenverbruik wordt verminderd, de compilatie wordt versneld en de parallelle verwerking wordt vergroot zonder al te veel prestatieverlies.

In de praktijk wordt voor het activeren van ThinLTO een vlag gebruikt, zoals bijvoorbeeld: -flto=thin in de compilatievariabelen. Als je de volledige LTO wilt gebruiken, vervang je deze eenvoudigweg door -fltozonder significante compatibiliteitsverschillen tussen de twee modi. Het is echter goed om te onthouden dat als het pakket clang-common Het is niet gebouwd met de USE-vlag. default-lldHet zal nodig zijn om toe te voegen -fuse-ld=lld a LDFLAGS zodat de LLVM-linker wordt gebruikt.

Je kunt ook de binutils-tools van LLVM gebruiken, zoals: llvm-ar, llvm-nm y llvm-ranlibVooral bij het werken met LTO-gegenereerde bitcode. Dit zijn alternatieven die specifiek zijn ontworpen om dat formaat te begrijpen, hoewel de praktijkervaring verschilt per project en ze niet altijd duidelijke verbeteringen bieden ten opzichte van standaardtools.

Wat PGO betreft, biedt het LLVM-ecosysteem componenten zoals: clang-runtime met USE-vlag sanitize y compiler-rt-sanitizers met vlaggen zoals profile u orcDe USE-vlag activeren pgo Op globaal of pakketniveau kan realtime informatie over de programma-uitvoering worden verzameld en via deze profielen aan de compiler worden doorgegeven, zodat deze de meest gebruikte codefragmenten kan optimaliseren op basis van het daadwerkelijke gebruik.

Naast het bovenstaande werkt Clang ook erg goed samen met cachesystemen zoals ccacheZodra Clang is geïnstalleerd, werken deze projecten meestal bijna automatisch, waardoor hercompilaties sneller verlopen. En in meer gespecialiseerde vakgebieden zijn er projecten zoals PropellerPropeller is een PGO-aanpak die is ontworpen om problemen met tools zoals Bolt aan te pakken, met name het geheugenverbruik. Propeller is gebaseerd op Clang en vereist afhankelijkheden zoals... app-arch/zstd met de USE-vlag static-libs, naast een compilatie uit een vrij specifieke bron.

Veelvoorkomende problemen en hoe je ze kunt oplossen met Clang.

In omgevingen waar Clang als hoofdcompiler fungeert, vallen de meest voorkomende fouten doorgaans in een paar typische patronen. Een duidelijk eerste voorbeeld is... compilatiefouten bij gebruik van LTOAls een pakket is gecompileerd met -flto En als er terugkerende fouten in de Portage-logboeken verschijnen, is een praktische oplossing om LTO voor dat specifieke pakket uit te schakelen met behulp van een omgeving zoals compiler-clang zonder LTO.

Soms blijft het probleem bestaan, zelfs als LTO is uitgeschakeld in het betreffende pakket. Een andere afhankelijke bibliotheek is gecompileerd met LTO en functioneert niet naar behoren.Een klassiek voorbeeld is wanneer een pakket zoals boehm-gc Het barst door zijn afhankelijkheid. libatomic_ops Het is gecompileerd met LTO en vertoont onverwacht gedrag. In dergelijke gevallen moet de afhankelijkheid zonder LTO ook opnieuw worden gecompileerd en moet ervoor worden gezorgd dat beide pakketten in een consistente omgeving worden gecompileerd.

Een ander veelvoorkomend probleem doet zich voor wanneer de broncode gebruikmaakt van GNU-extensies zonder de juiste standaard te specificeren door de vlag -std=GCC staat doorgaans veel van deze toepassingen toe zonder een specifieke standaard te vereisen, terwijl Clang sommige van deze zeldzamere extensies uitschakelt, tenzij expliciet anders vermeld. Als een pakket afhankelijk is van deze extensies, moet het worden gecompileerd met vlaggen zoals -std=gnu89, -std=gnu99 o -std=gnu++98, afhankelijk van de taal en de verwachte norm.

Een typisch symptoom van dit probleem is het zien van meerdere inline functiedefinities in de compilatielogboeken. Dit komt doordat Clang standaard C99 inline-regels gebruikt, die niet goed samengaan met code die ontworpen is voor gnu89In dat scenario zou het afdwingen van -std=gnu89 Dit is meestal voldoende; zo niet, dan is er altijd nog de mogelijkheid om het conflicterende pakket met GCC te compileren met behulp van een van de alternatieve omgevingen.

Twijfels ontstaan ​​vaak ook wanneer het systeem fouten aangeeft, zoals bijvoorbeeld: sudo: clang: command not foundWat daar gebeurt, is dat Clang is geïnstalleerd in een pad dat is toegevoegd aan de PATH van de gebruiker, maar sudo behoudt zijn eigen interne PATH.Het pad dat tijdens het binaire compilatieproces is gedefinieerd, bevat het Clang-pad pas nadat sudo opnieuw is gecompileerd of de configuratie ervan is aangepast. Daarom zal sudo Clang niet vinden, hoewel een normale gebruiker het zonder problemen kan uitvoeren.

Voor gebruikers van Gentoo of andere distributies met gedetailleerde bugtracking is de belangrijkste bron voor Clang-problemen meestal een specifieke bugtracker Hier worden alle bekende bugs in pakketten die niet correct compileren of uitvoeren met deze toolchain gecentraliseerd. Als er een nieuwe bug wordt gevonden, worden gebruikers aangemoedigd om een ​​rapport aan te maken en deze te laten vergrendelen in de algemene bugtracker, zodat de community de bug kan verhelpen of oplossingen kan documenteren.

Als je al deze onderdelen vergelijkt, zie je dat het tandem Clang + LLVM Het biedt een zeer krachtig, flexibel en modern ecosysteem, maar wel een dat in veel systemen nog steeds nauw samenwerkt met GCC, vooral op gevoelige niveaus zoals de C-bibliotheek of zeer oude pakketten. Inzicht in de verschillen, hoe ze elkaar aanvullen en welke aanpassingen nodig zijn in vlaggen, LTO's of taalstandaarden, maakt de overstap tussen beide minder een sprong in het onbekende en meer een waardevol hulpmiddel bij het opzetten van je ontwikkelomgeving of aangepaste Linux-systeem.