GCC，LLVM，Clang編譯器對比

sofes 2018-05-12

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在XCode中，我們經(jīng)常會看到這些編譯選項（如下圖），有些人可能會有些茫然，本文將對GCC4.2、LLVM GCC 4.2、LLVM compliler 2.0三個編譯選項進行一個詳細的介紹。

GCC

GCC（GNU Compiler Collection，GNU編譯器套裝），是一套由 GNU 開發(fā)的編程語言編譯器。它是一套以 GPL 及 LGPL 許可證所發(fā)行的自由軟件，也是 GNU計劃的關(guān)鍵部分，亦是自由的類Unix及蘋果電腦 Mac OS X 操作系統(tǒng)的標準編譯器。

GCC 原名為 GNU C 語言編譯器，因為它原本只能處理 C語言。GCC 很快地擴展，變得可處理 C++。之后也變得可處理 Fortran、Pascal、Objective-C、Java, 以及 Ada與其他語言。

LLVM

LLVM 是 Low Level Virtual Machine 的簡稱，這個庫提供了與編譯器相關(guān)的支持，能夠進行程序語言的編譯期優(yōu)化、鏈接優(yōu)化、在線編譯優(yōu)化、代碼生成。簡而言之，可以作為多種語言編譯器的后臺來使用。如果這樣還比較抽象的話，介紹下 Clang 就知道了：Clang 是一個 C++ 編寫、基于 LLVM、發(fā)布于 LLVM BSD 許可證下的 C/C++/Objective C/Objective C++ 編譯器，其目標（之一）就是超越 GCC。

LLVM歷史

Apple（包括中后期的NeXT）一直使用GCC作為官方的編譯器。GCC作為開源世界的編譯器標準一直做得不錯，但Apple對編譯工具會提出更高的要求。

一方面，是Apple對Objective-C語言（甚至后來對C語言）新增很多特性，但GCC開發(fā)者并不買Apple的帳——不給實現(xiàn)，因此索性后來兩者分成兩條分支分別開發(fā)，這也造成Apple的編譯器版本遠落后于GCC的官方版本。另一方面，GCC的代碼耦合度太高，不好獨立，而且越是后期的版本，代碼質(zhì)量越差，但Apple想做的很多功能（比如更好的IDE支持）需要模塊化的方式來調(diào)用GCC，但GCC一直不給做。甚至最近，《GCC運行環(huán)境豁免條款（英文版）》從根本上限制了LLVM-GCC的開發(fā)。所以，這種不和讓Apple一直在尋找一個高效的、模塊化的、協(xié)議更放松的開源替代品，于是Apple請來了編譯器高材生Chris Lattner（2000年，本科畢業(yè)的Chris Lattner像中國多數(shù)大學生一樣，按部就班地考了GRE，最終前往UIUC（伊利諾伊大學厄巴納香檳分校），開始了艱苦讀計算機碩士和博士的生涯。在這階段，他不僅周游美國各大景點，更是努力學習科學文化知識，翻爛了“龍書”（《Compilers: Principles, Techniques, and Tools》），成了GPA牛人【注：最終學分積4.0滿分】，以及不斷地研究探索關(guān)于編譯器的未知領(lǐng)域，發(fā)表了一篇又一篇的論文，是中國傳統(tǒng)觀念里的“三好學生”。他的碩士畢業(yè)論文提出了一套完整的在編譯時、鏈接時、運行時甚至是在閑置時優(yōu)化程序的編譯思想，直接奠定了LLVM的基礎(chǔ)。LLVM在他念博士時更加成熟，使用GCC作為前端來對用戶程序進行語義分析產(chǎn)生IF（Intermidiate Format），然后LLVM使用分析結(jié)果完成代碼優(yōu)化和生成。這項研究讓他在2005年畢業(yè)時，成為小有名氣的編譯器專家，他也因此早早地被Apple相中，成為其編譯器項目的骨干）。

剛進入Apple，Chris Lattner就大展身手：首先在OpenGL小組做代碼優(yōu)化，把LLVM運行時的編譯架在OpenGL棧上，這樣OpenGL棧能夠產(chǎn)出更高效率的圖形代碼。如果顯卡足夠高級，這些代碼會直接扔入GPU執(zhí)行。但對于一些不支持全部OpenGL特性的顯卡（比如當時的Intel GMA卡），LLVM則能夠把這些指令優(yōu)化成高效的CPU指令，使程序依然能夠正常運行。這個強大的OpenGL實現(xiàn)被用在了后來發(fā)布的Mac OS X 10.5上。同時，LLVM的鏈接優(yōu)化被直接加入到Apple的代碼鏈接器上，而LLVM-GCC也被同步到使用GCC4代碼。

Clang歷史

Apple吸收Chris Lattner的目的要比改進GCC代碼優(yōu)化宏大得多——GCC系統(tǒng)龐大而笨重，而Apple大量使用的Objective-C在GCC中優(yōu)先級很低。此外GCC作為一個純粹的編譯系統(tǒng)，與IDE配合得很差。加之許可證方面的要求，Apple無法使用LLVM 繼續(xù)改進GCC的代碼質(zhì)量。于是，Apple決定從零開始寫 C、C++、Objective-C語言的前端 Clang，完全替代掉GCC。

正像名字所寫的那樣，Clang只支持C，C++和Objective-C三種C家族語言。2007年開始開發(fā)，C編譯器最早完成，而由于Objective-C相對簡單，只是C語言的一個簡單擴展，很多情況下甚至可以等價地改寫為C語言對Objective-C運行庫的函數(shù)調(diào)用，因此在2009年時，已經(jīng)完全可以用于生產(chǎn)環(huán)境。C++的支持也熱火朝天地進行著。

下面這張圖將顯示GCC、LLVM-GCC、LLVM Compiler這三個編譯選項的不同點：

對比

作為一種新的編譯器，我們來看Clang和GCC各有什么優(yōu)缺點：

Clang特性

快：通過編譯 OS X 上幾乎包含了所有 C 頭文件的 carbon.h 的測試，包括預(yù)處理 (Preprocess)，語法 (lex)，解析 (parse)，語義分析 (Semantic Analysis)，抽象語法樹生成 (Abstract Syntax Tree) 的時間，Clang 是 Apple GCC 4.0 的 2.5x 快。(2007-7-25)

內(nèi)存占用?。篊lang 內(nèi)存占用是源碼的 130%，Apple GCC 則超過 10x。
診斷信息可讀性強：我不會排版，推薦去網(wǎng)站觀看。其中錯誤的語法不但有源碼提示，還會在錯誤的調(diào)用和相關(guān)上下文的下方有~~~~~和^的提示，相比之下 GCC 的提示很天書。
GCC 兼容性。
設(shè)計清晰簡單，容易理解，易于擴展增強。與代碼基礎(chǔ)古老的 GCC 相比，學習曲線平緩。
基于庫的模塊化設(shè)計，易于 IDE 集成及其他用途的重用。由于歷史原因，GCC 是一個單一的可執(zhí)行程序編譯器，其內(nèi)部完成了從預(yù)處理到最后代碼生成的全部過程，中間諸多信息都無法被其他程序重用。Clang 將編譯過程分成彼此分離的幾個階段，AST 信息可序列化。通過庫的支持，程序能夠獲取到 AST 級別的信息，將大大增強對于代碼的操控能力。對于 IDE 而言，代碼補全、重構(gòu)是重要的功能，然而如果沒有底層的支持，只使用 tags 分析或是正則表達式匹配是很難達成的。

當然，GCC 也有其優(yōu)勢：

支持 JAVA/ADA/FORTRAN
當前的 Clang 的 C++ 支持落后于 GCC，參見http://clang./cxx_status.html。（近日 Clang 已經(jīng)可以自編譯，見http://www./scan.php?page=news_item&px=Nzk2Mw）
GCC 支持更多平臺
GCC 更流行，廣泛使用，支持完備
GCC 基于 C，不需要 C++ 編譯器即可編譯

要選擇哪個

那么三個編譯選項，要選擇哪一個呢？目前不推薦使用老的GCC4.2，因為蘋果不會維持它了，而且LLVM-GCC看起來會更好。在項目中途改編譯選項可是一個大變動，所以，如果你要改，當然需要經(jīng)過慎重完整的測試。

對新的項目而言，LLVM-GCC看起來應(yīng)該是個安全的選擇，蘋果公司認為它夠穩(wěn)定夠成熟，所以才把它當做Xcode 4的預(yù)設(shè)選項（你或許不會把穩(wěn)定成熟這兩個字眼跟Xcode 4本身畫上等號），而且，既然選項使用的是GCC parser，向后兼容性應(yīng)該沒問題。
我說LLVM-GCC是個安全的選項，但我并不是指Clang/LLVM比較不安全，只是成熟度還沒那么高效了，我將一些以前的代碼拿到Xcode 4上，使用LLVM 2.0編譯器重新編譯，到目前為止還沒發(fā)現(xiàn)任何問題。

參考文檔：

http://baike.baidu.com/view/4848.htm

http://hi.baidu.com/zhanghuikl/blog/item/71e8a6018172df0f728da53e.html

http://www./9436/