Различия между Clang и LLVM по сравнению с GCC

Если заглянуть в мир современных компиляторов, то названия... Clang и LLVM Они встречаются повсюду и часто используются как синонимы. Однако за этими аббревиатурами скрываются различные понятия, которые стоит понимать, особенно если вы хотите максимально эффективно использовать свою систему, дистрибутив Linux или свои проекты на C, C++ или Objective-C.

В повседневной работе многие разработчики больше привыкли к GCC, но все чаще встречаются среды, в которых приоритет отдается... Clang используется в качестве фронтенда, а LLVM — в качестве инфраструктуры.Переход от одного компилятора к другому — это не просто запуск другого исполняемого файла: существуют нюансы в совместимости, оптимизациях, параметрах по умолчанию и поведении в производственной среде, которые могут иметь решающее значение.

Первое, что нужно уточнить, это то, что LLVM — это не единый компилятор.LLVM — это не просто инструмент или библиотека компиляции, служащая основой для различных фронтендов, включая Clang. Среди прочего, LLVM включает в себя оптимизаторы промежуточного кода, бэкенды для генерации машинного кода для многих архитектур, а также замену классическим инструментам, таким как ar, nm, ranlib или даже такие связующие элементы, как ллд.

Clang, в свою очередь, является фронтенд Языки C, C++ и Objective-CObjective-C++, CUDA и RenderScript в рамках экосистемы LLVM. Его основная функция заключается в анализе исходного кода, проверке его соответствия языковому стандарту, предоставлении четких диагностических данных и преобразовании его в промежуточное представление LLVM (IR), которое затем будет оптимизировано и преобразовано в исполняемый код остальной частью инструментального набора.

Теме статьи:

Различия между наиболее используемыми языками программирования

Поэтому, когда люди говорят об «использовании Clang» в системе, они на самом деле используют В качестве фронтенд-компилятора используется Clang, а в качестве бэкенд-компилятора — LLVM.При этом есть возможность использовать дополнительные утилиты LLVM (binutils, компоновщик, библиотеки времени выполнения и т. д.). Например, можно использовать Clang в качестве прямой замены GCC, но при этом продолжать использовать стандартную библиотеку GCC для C++, ее среды выполнения и, в целом, большую часть инфраструктуры GNU.

Важный момент заключается в том, что во многих системах Linux компоненты GCC (стандартная библиотека C++, механизм развертывания пакетов, OpenMP, библиотеки для очистки среды выполнения и т. д.) по-прежнему используются. основные строительные блоки системыТем не менее, постепенно утвердилась возможность создания набора инструментов, почти полностью основанного на LLVM, который даже заменил значительную часть GNU binutils, оставив лишь классическую библиотеку C в качестве практически неизбежного компонента, обычно Glibc.

Взаимосвязь между Clang, LLVM и GCC

После того, как будет определена роль каждого из них, важно понять, чем Clang/LLVM и GCC отличаются как полноценные наборы инструментов. Оба проекта преследуют схожую цель: компилировать эффективный и корректный код Это применимо к большому количеству архитектур и платформ, но они используют различные внутренние схемы и принимают разные решения относительно значений по умолчанию и расширений языка.

Одна из заявленных целей проекта Clang — поддержание Высокая совместимость с кодом, разработанным для GCC.На практике это означает, что во многих дистрибутивах, таких как Gentoo, можно попробовать использовать Clang в качестве компилятора по умолчанию для значительной части системных пакетов. Однако эта идея «использования Clang в масштабах всей системы» всё ещё считается несколько экспериментальной: некоторые пакеты зависят от очень специфических расширений GCC, другие предполагают определённое поведение, исходя из параметров GCC по умолчанию, а некоторые, хотя и компилируются, имеют проблемы во время выполнения.

Когда принудительное глобальное использование Clang приводит к сбоям, классическим решением обычно является определение среды выполнения. резервный вариант с использованием GCCВ этом контексте GCC используется для пакетов, которые плохо работают с Clang или с альтернативными библиотеками и средами выполнения, предоставляемыми LLVM. Этот смешанный подход, очень распространенный в Gentoo, реализуется посредством конфигураций в /etc/portage/make.conf а также файлы среды, специфичные для каждого компилятора.

Еще одно существенное различие между ними заключается в способе реализации. Оптимизация времени канала связи (LTO)Clang/LLVM разработали собственный подход, в котором ThinLTO является рекомендуемым режимом, в то время как GCC использует другую архитектуру для своих фаз LTO. На практике это означает, что поведение, производительность и потенциальные сбои при использовании LTO могут значительно различаться в зависимости от используемого компилятора.

Основные отличия от стран Персидского залива

Среди наиболее заметных различий, влияющих на повседневное использование, — поддерживаемые каждым компилятором расширения языка. Clang стремится к совместимости с большей частью экосистемы GCC, но Он не поддерживает некоторые расширения, специфичные для GCC.например, вложенные функции. Это, в частности, одна из причин, почему Clang испытывает трудности с компиляцией таких важных пакетов, как... sys-libs/glibcОднако ведётся работа по обеспечению большей совместимости glibc с альтернативными инструментами.

Также существуют различия в флагах, связанных с обработкой операций с плавающей запятой. GCC активен по умолчанию. -ftrapping-math, в то время как Clang использует по умолчанию -fno-trapping-mathЭто расхождение подразумевает, что поведение в отношении некоторых исключений, связанных с числами с плавающей запятой, может различаться в зависимости от компилятора, если разработчик явно не определяет, как он хочет обрабатывать эти случаи в своем проекте.

Ещё один важный момент — это то, как они обрабатывают семантическую интерпозицию. GCC включает её по умолчанию. -fsemantic-interpositionЭто позволяет вставлять символы в разделяемые библиотеки в соответствии с правилами компоновки ELF, но может ограничивать некоторые межпроцедурные оптимизации. Clang, с другой стороны, по умолчанию выполняет межфункциональную оптимизацию и предлагает опцию -fno-semantic-interposition для дальнейшего использования этих оптимизаций, когда это позволяет код и не основан на классическом перехвате.

Эти различия в проектировании могут показаться незначительными, но они оказывают реальное влияние на компиляцию и поведение программного обеспечения. Нередко то, что «идеально работает» с GCC, требует... корректировки флагов или исходного кода для корректной компиляции и запуска с Clang и наоборот, особенно в проектах, которые выходят за рамки стандарта или зависят от очень тонких деталей компоновки.

Незначительные, но существенные различия.

На уровне параметров сборки по умолчанию также есть менее очевидные нюансы, о которых стоит знать. Например, GCC использует опцию по умолчанию. -ffp-contract=fast, в то время как Clang использует значение по умолчанию. -ffp-contract=onКонфигурация GCC несколько более агрессивна и может изменять порядок выполнения или оптимизировать процессы таким образом, что в некоторых критически важных с точки зрения численных параметров сценариях это несколько рискованнее. Clang со своими настройками по умолчанию, как правило, более консервативен, что многие считают более безопасным поведением, если только целью не является явная максимизация производительности.

Что касается векторизации, то до версии 12 GCC не выполнял векторную оптимизацию на этом уровне. -O2 или нижеОднако Clang активирует векторную оптимизацию на всех уровнях выше. -O1, кроме en -Ozгде это ограничено векторизатором SLP. Хотя это редко вызывает прямые проблемы, это объясняет, почему иногда один и тот же код дает сбой. Результаты могут отличаться в зависимости от компилятора.даже при, казалось бы, эквивалентных флагах оптимизации.

Еще одно различие между двумя проектами заключается в этапах LTO. Этапы LTO в проектах GCC и Clang, как считается, функционируют по-разному. кардинально разныеЭто означает, что пакеты, которые хорошо компилируются и работают с LTO под GCC, могут не работать с Clang, и наоборот. Единого правила нет: во многих случаях это вопрос тестирования, конкретных ошибок и особенностей каждого проекта.

Кроме того, есть небольшие практические детали, например, тот факт, что Clang при интеграции с некоторыми дистрибутивами, Не устанавливайте напрямую на /usr/binно в конкретных маршрутах, которые добавляются в переменную среды. PATHЭто влияет на такие инструменты, как... sudoкоторые используют PATH Сам Clang "отбеливается" и компилируется в бинарный файл, поэтому, когда появляется новая версия Clang, она может быть недоступна. sudo до тех пор, пока инструмент управления привилегиями не будет перекомпилирован или перенастроен.

Установка и настройка с использованием Clang/LLVM

В таких дистрибутивах, как Gentoo, управление Clang и остальными компонентами LLVM осуществляется через USE-флаги и конкретные переменные, такие как LLVM_TARGETSПоследний параметр определяет, для каких архитектур созданы бэкенды LLVM, что крайне важно, если вы хотите поддерживать несколько процессоров или устройств.

Для установки Clang обычно используется менеджер пакетов, и после его установки в систему его можно настроить как основной компилятор для определенных пакетов или глобально. В Gentoo типичный способ установить Clang в качестве компилятора по умолчанию — изменить соответствующие переменные. CC y CXX в файле /etc/portage/make.conf, указывая им на исполняемые файлы Clang и их эквиваленты на C++.

Ещё одна очень гибкая стратегия — использование файлов окружения. /etc/portage/envгде определены два профиля компилятора: один на основе Clang, а другой — на основе GCC. Это позволяет назначать профили компилятора через файл. /etc/portage/package.env, разные компиляторы для каждого пакетаНапример, используйте Clang для большей части системы, но принудительно применяйте GCC к проблемным или крайне важным пакетам.

Необходимо учитывать исторические детали. До версии 14.0.0 Clang У меня не было выбора. default-pie аналогично ситуации в странах Персидского заливаДля этого потребовалось ручное включение. -fPIC en CFLAGS y -pie en LDFLAGS для генерации исполняемых файлов с независимым позиционированием. В современных версиях это упрощено, но если вы переходите с более старых конфигураций, рекомендуется проверить и удалить устаревшие ссылки в переменных флагов.

В любом случае, даже если вы создадите систему, в значительной степени ориентированную на Clang и LLVM, вам все равно потребуется GCC для некоторых пакетов например, glibc или wine. В некоторых дистрибутивах есть системы отслеживания ошибок, которые компилируют все пакеты, не компилируемые с помощью Clang, помогая определить, когда следует использовать компилятор GNU.

Резервные среды и выбор компилятора

При использовании экспериментальных профилей, ориентированных на LLVM (что не то же самое, что простая установка Clang), возникают ограничения в резервных средах. Типичная среда "резервного копирования GCC" может не работать, если весь стек настроен на использование, например, libc++ как стандартная библиотека C++В таких случаях используются такие флаги, как -stdlib=libc++ Когда в такой чрезвычайной ситуации применяется GCC, даже тогда поведение может отличаться от ожидаемого.

Практическая идея заключается в создании чего-либо в /etc/portage/env конфигурационный файл, например compiler-gcc, определяя переменные среды, необходимые для компиляции с помощью GCC. Затем, в /etc/portage/package.envНазначаются пакеты, которые должны использовать эту среду. Этот шаблон повторяется с различными комбинациями: Clang без LTO, Clang с LTO, GCC без LTO, GCC с LTO и т. д.

Таким образом, когда пакет не работает с Clang (из-за расширений GCC, проблем с LTO, перекрестных зависимостей и т. д.), достаточно просто... Добавьте его в список пакетов, скомпилированных с использованием другой среды.Это делает сосуществование Clang и GCC вполне управляемым, при условии, что вы дисциплинированно поддерживаете эти конфигурационные файлы.

На более «человеческом» уровне многие пользователи задаются вопросом, какой компилятор выберет скрипт конфигурации, если установлены оба. Как правило, система сборки следует четким правилам: она анализирует переменные окружения, такие как CC y CXXПроверьте, какие компиляторы доступны в PATHа в некоторых случаях отдает приоритет определенным именам, таким как gcc o clangТаким образом, «предпочтение» не является магией: оно определяется конфигурацией системы и параметрами, заданными пользователем.

Расширенное использование Clang/LLVM: LTO, PGO и многое другое.

Clang очень хорошо интегрируется с передовые методы оптимизации например, LTO (оптимизация на этапе компоновки) и PGO (оптимизация с помощью профилирования). В случае LTO компилятор генерирует битовый код LLVM вместо традиционного объектного кода и откладывает большую часть оптимизаций на этап компоновки.

Clang поддерживает два основных типа LTO. С одной стороны, LTO завершенкоторый анализирует весь блок связи сразу; это классический подход, похожий на GCC, но в настоящее время он уже не рекомендуется в качестве первого варианта. С другой стороны, существует ThinLTOгде блок компоновки сканируется и делится на несколько частей. Каждая часть содержит только код, относящийся к ее области действия, что снижает потребление памяти, ускоряет компиляцию и увеличивает параллелизм без существенного снижения производительности.

На практике для активации ThinLTO используется флаг, например, такой: -flto=thin в переменных компиляции. Если вы хотите использовать полный LTO, просто замените его на -fltoбез существенных различий в совместимости между двумя режимами. Однако стоит помнить, что если пакет clang-common Он не был собран с флагом USE. default-lld, потребуется добавить -fuse-ld=lld a LDFLAGS чтобы использовался компоновщик LLVM.

Вы также можете использовать инструменты binutils из пакета LLVM, например: llvm-ar, llvm-nm y llvm-ranlibособенно при работе с битовым кодом, сгенерированным в формате LTO. Существуют альтернативные решения, специально разработанные для понимания этого формата, хотя практический опыт их применения варьируется в зависимости от проекта, и они не всегда обеспечивают явные преимущества по сравнению со стандартными инструментами.

Что касается PGO, экосистема LLVM предоставляет такие компоненты, как... clang-runtime с флагом USE sanitize y compiler-rt-sanitizers с флагами, такими как profile u orcАктивация флага USE pgo На глобальном уровне или на уровне пакета можно собирать информацию о выполнении программы в реальном времени и передавать ее компилятору с помощью этих профилей, чтобы он мог оптимизировать наиболее часто используемые участки кода на основе фактического использования.

Помимо вышесказанного, Clang отлично работает с системами кэширования, такими как... CCacheПосле установки Clang эти проекты обычно работают практически автоматически, ускоряя перекомпиляцию. А в более специализированной области такие проекты, как... ПропеллерPropeller — это подход, основанный на использовании PGO (Propeller, Propeller, Propeller), разработанный для решения проблем, связанных с такими инструментами, как Bolt, в частности, с потреблением памяти. Propeller использует Clang и требует наличия таких зависимостей, как... app-arch/zstd с флагом USE static-libs, а также подборка материалов из довольно специфического источника.

Распространенные проблемы и способы их решения при использовании Clang.

В средах, где Clang выступает в качестве основного компилятора, наиболее распространенные ошибки, как правило, группируются в несколько типичных шаблонов. Наглядный первый пример — это Ошибки компиляции при использовании LTOЕсли пакет скомпилирован с -flto А если в журналах Portage появляются повторяющиеся ошибки, практичным решением будет отключение LTO для этого конкретного пакета с помощью такой среды, как... compiler-clang без LTO.

Иногда, даже если LTO отключен в неисправном пакете, проблема сохраняется, потому что Другая зависимая библиотека была скомпилирована с использованием LTO и работает некорректно.Классический пример — это когда такой пакет, как... boehm-gc Оно взрывается из-за своей зависимости. libatomic_ops Компиляция с использованием LTO приводит к неожиданному поведению. В таких случаях необходимо также пересобрать зависимость без LTO и убедиться, что оба пакета скомпилированы в согласованной среде.

Другой распространенный тип проблем возникает, когда исходный код использует Расширения GNU без указания правильного стандарта через флаг -std=GCC обычно допускает многие из этих вариантов использования без требования соблюдения определенного стандарта, в то время как Clang отключает некоторые из этих более редких расширений, если это явно не указано. Если пакет зависит от этих расширений, его необходимо скомпилировать с такими флагами, как... -std=gnu89, -std=gnu99 o -std=gnu++98в соответствии с языком и ожидаемым уровнем.

Типичным симптомом этой проблемы является нарушение зрения. множественные встроенные определения функций в логах компиляции. Это происходит потому, что Clang по умолчанию использует правила встраивания кода C99, которые плохо сочетаются с кодом, разработанным для gnu89В этом сценарии принуждение -std=gnu89 Обычно этого достаточно; если нет, всегда есть возможность скомпилировать конфликтующий пакет с помощью GCC, используя одну из резервных сред.

Сомнения также часто возникают, когда система выдает ошибки, например: sudo: clang: command not foundПроблема в том, что Clang был установлен в путь, который добавлен в... PATH от пользователя, но sudo поддерживает собственный внутренний путь PATH.Путь, определенный в процессе компиляции бинарного файла, не будет включать путь к Clang до тех пор, пока не будет выполнена перекомпиляция sudo или не будет изменена его конфигурация. Поэтому sudo не найдет Clang, хотя обычный пользователь может запустить его без проблем.

Для пользователей Gentoo или других дистрибутивов с подробной системой отслеживания ошибок, основным источником информации о проблемах Clang обычно является [название дистрибутива]. конкретный баг-трекер Здесь собраны все известные ошибки в пакетах, которые не компилируются или некорректно работают с этим набором инструментов. Если обнаружена новая ошибка, пользователям рекомендуется сообщить о ней и зафиксировать её в общем трекере ошибок, чтобы сообщество могло её исправить или задокументировать свои решения.

Если сравнить все эти элементы, можно увидеть, что тандем Clang + LLVM Он предлагает очень мощную, гибкую и современную экосистему, которая, тем не менее, во многих системах тесно сосуществует с GCC, особенно на таких важных уровнях, как библиотека C или очень старые пакеты. Понимание их различий, того, как они дополняют друг друга, и того, какие корректировки необходимы в флагах, LTO или языковых стандартах, делает переход между ними не таким уж и сложным, а скорее ценным инструментом при настройке среды разработки или собственной системы Linux.

Исаак

Страстный писатель о мире байтов и технологий в целом. Мне нравится делиться своими знаниями в письменной форме, и именно этим я и займусь в этом блоге: покажу вам все самое интересное о гаджетах, программном обеспечении, оборудовании, технологических тенденциях и многом другом. Моя цель — помочь вам ориентироваться в цифровом мире простым и интересным способом.