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简述 LLVM 与 Clang 及其关系

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随着 Android P 的逐步应用,越来越多的客户要求编译库时用 libc++ 来代替 libstdc++。libc++ 和 libstdc++ 这两个库有关系呢?它们两个都是 C++ 标准库,libc++ 是针对 Clang 编译器特别重写的 C++ 标准库,而 libstdc++ 则是 GCC 的对应 C++ 标准库了。从 Android 市场来说,Android NDK 已在具体应用中放弃了 GCC,全面转向 Clang,正如很早前 Android NDK 在 Changelog 中提到的那样:

Everyone should be switching to Clang.
GCC in the NDK is now deprecated.

Android NDK 从 r11 开始建议大家切换到 Clang,并且把 GCC 标记为 deprecated,将 GCC 版本锁定在 GCC 4.9 不再更新;
Android NDK 从 r13 起,默认使用 Clang 进行编译,但是暂时也没有把 GCC 删掉,Google 会一直等到 libc++ 足够稳定后再删掉 GCC;
Android NDK 在 r17 中宣称不再支持 GCC 并在后续的 r18 中删掉 GCC,具体可见 NDK 的版本历史

接下来,简要的介绍一下 Clang。Clang 是一个 C、C++、Objective-C 和 Objective-C++ 编程语言的编译器前端,采用底层虚拟机(LLVM)作为后端。至于为什么有了 GCC 还要开发 Clang?Clang 相比 GCC 又有什么优势呢?网上有很多信息可以参考,这里只简单提两点:(1)Clang 采用的是 BSD 协议的许可证,而 GCC 采用的是 GPL 协议,显然前者更为宽松;(2)Clang 是一个高度模块化开发的轻量级编译器,编译速度快、占用内存小、有着友好的出错提示。

然后说下 Clang 背后的 LLVM(Low Level Virtual Machine)。LLVM 是以 BSD 许可来开发的开源的编译器框架系统,基于 C++ 编写而成,利用虚拟技术来优化以任意程序语言编写的程序的编译时间、链接时间、运行时间以及空闲时间,最早以 C/C++ 为实现对象,对开发者保持开放,并兼容已有脚本。LLVM 计划启动于 2000 年,最初由 University of Illinois at Urbana-Champaign 的 Chris Lattner 主持开展,2006 年 Chris Lattner 加盟苹果公司并致力于 LLVM 在苹果公司开发体系中的应用,所以苹果公司也是 LLVM 计划的主要资助者。目前 LLVM 因其宽松的许可协议,更好的模块化、更清晰的架构,成为很多厂商或者组织的选择,已经被苹果 IOS 开发工具、Facebook、Google 等各大公司采用,像 Swift、Rust 等语言都选择了以 LLVM 为后端。

在理解 LLVM 之前,先说下传统编译器的工作原理,基本上都是三段式的,可以分为前端、优化器和后端。前端负责解析源代码,检查语法错误,并将其翻译为抽象的语法树;优化器对这一中间代码进行优化,试图使代码更高效;后端则负责将优化器优化后的中间代码转换为目标机器的代码,这一过程后端会最大化的利用目标机器的特殊指令,以提高代码的性能。基于这个认知,我们可以认为 LLVM 包括了两个概念:一个广义的 LLVM 和一个狭义的 LLVM 。广义的 LLVM 指的是一个完整的 LLVM 编译器框架系统,包括了前端、优化器、后端、众多的库函数以及很多的模块;而狭义的 LLVM 则是聚焦于编译器后端功能的一系列模块和库,包括代码优化、代码生成、JIT 等。

下面大概讲一讲 LLVM 和 Clang 的关系。我们将它们对应于传统的编译器当中的几个独立的部分,这样能够更加方便明确的表述出它们之前的关系。

对应到这个图中,可以非常明确的找出它们的关系。整体的编译器架构就是 LLVM 架构;Clang 大致可以对应到编译器的前端,主要处理一些和具体机器无关的针对语言的分析操作;编译器的优化器和后端部分就是之前提到的 LLVM 后端,即狭义的 LLVM。

此外,由于 LLVM 的命名最早源自于底层虚拟机(Low Level Virtual Machine) 的首字母缩写,但这个项目的范围并不局限于创建一个虚拟机,这个缩写导致了大量的疑惑。LLVM 成长之后已成为众多编译工具及低级工具技术的统称,使得这个名字变得更不贴切,所以开发者决定放弃这个缩写的涵义,现在 LLVM 已独立成为一个品牌,适用于 LLVM 下的所有项目,包括 LLVM 中介码、LLVM 除错工具、LLVM C++ 标准库等。


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