GNU & GCC 編譯器的這些知識(shí)你都知道了嗎？

很多時(shí)候，出現(xiàn)一些類似GNU,GCC,CLANG,LLVM等與編譯器有關(guān)的名詞的時(shí)候，都不太清楚它到底是干嘛的,理解這些東西后，對(duì)于xcode中很多配置型的需求修改起來(lái)都會(huì)得心應(yīng)手，因此有必要了解透徹他們直接的關(guān)系與區(qū)別。

1，GNU

先看看wiki百科上的官方說(shuō)明：

“GNU，名稱來(lái)自Gnu's Not Unix"的縮寫(xiě)，一個(gè)類UNIX的操作系統(tǒng)，由GNU計(jì)劃推動(dòng)，目標(biāo)在于創(chuàng)建一個(gè)完全兼容于UNIX的自由軟件環(huán)境。”

由于當(dāng)時(shí)UNIX系統(tǒng)是商業(yè)軟件，是收費(fèi)的，而且有一部分源碼是沒(méi)有開(kāi)放的，所以在1983年，理查德·斯托曼提出GNU計(jì)劃，希望發(fā)展出一套完整的開(kāi)放源代碼操作系統(tǒng)來(lái)取代Unix，計(jì)劃中的操作系統(tǒng)，名為GNU。

因此，GNU的出現(xiàn)的目的就是為了取代UNIX系統(tǒng)。

但是操作系統(tǒng)是包括很多軟件的，除了操作系統(tǒng)內(nèi)核之外，還要有編輯器，編譯器，shell等等一些軟件來(lái)支持。

1989年，GNU項(xiàng)目中的其他部份，如編輯器、編譯器、shell等都已經(jīng)完成，獨(dú)缺操作系統(tǒng)核心。1990年，自由軟件基金會(huì)開(kāi)始正式發(fā)展Hurd，作為GNU項(xiàng)目中的操作系統(tǒng)。

注意：linux并不是GNU計(jì)劃的一部分。linux只是使用了許多GNU計(jì)劃軟件(包括GCC編譯器，文本編譯器等)。

1991年，Linux出現(xiàn)，所有GNU項(xiàng)目中，運(yùn)行于用戶空間的軟件，都可以在Linux上使用。許多開(kāi)發(fā)者轉(zhuǎn)向于Linux，Linux成為常見(jiàn)的GNU計(jì)劃軟件運(yùn)行平臺(tái)。理查德·斯托曼主張，Linux操作系統(tǒng)使用了許多GNU計(jì)劃軟件，應(yīng)正名為GNU/Linux，但沒(méi)有得到Linux社區(qū)的一致認(rèn)同，形成GNU/Linux命名爭(zhēng)議。

1992年，Linux與其他GNU軟件結(jié)合，完全自由的操作系統(tǒng)正式誕生。許多程序員參與了Linux的開(kāi)發(fā)與修改，也經(jīng)常將Linux當(dāng)成開(kāi)發(fā)GNU計(jì)劃軟件的平臺(tái)。該操作系統(tǒng)往往被稱為“GNU/Linux”或簡(jiǎn)稱Linux。但Linux本身不屬于GNU計(jì)劃的一部份，GNU計(jì)劃自己的內(nèi)核Hurd依然在開(kāi)發(fā)中，但直到2013年為止，都還沒(méi)有穩(wěn)定版本發(fā)布。

GNU工程十幾年以來(lái)已經(jīng)成為一個(gè)對(duì)軟件開(kāi)發(fā)主要的影響力量，創(chuàng)造了無(wú)數(shù)的重要的工具，例如：強(qiáng)健的編譯器，有力的文本編輯器，甚至一個(gè)全功能的操作系統(tǒng)。這個(gè)工程是從1984年麻省理工學(xué)院的程序員理查德·斯托曼的想法得來(lái)的，他想要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)自由的、和UNIX類似的操作環(huán)境。從那時(shí)開(kāi)始，許多程序員聚集起來(lái)開(kāi)始開(kāi)發(fā)一個(gè)自由的、高質(zhì)量、易理解的軟件。

GNU計(jì)劃采用了部分當(dāng)時(shí)已經(jīng)可自由使用的軟件，例如TeX排版系統(tǒng)和X Window視窗系統(tǒng)等。不過(guò)GNU計(jì)劃也開(kāi)發(fā)了大批其他的自由軟件，這些軟件也被移植到其他操作系統(tǒng)平臺(tái)上，例如Microsoft Windows、BSD家族、Solaris及Mac OS。

許多UNIX系統(tǒng)上也安裝了GNU軟件，因?yàn)镚NU軟件的質(zhì)量比之前UNIX的軟件還要好。

所以，GNU計(jì)劃中的許多軟件目前在所有的操作系統(tǒng)中都應(yīng)用廣泛(Unix，mac，linux，windows，bsd...)，最出名的就是GCC了

總結(jié)：

GNU計(jì)劃本來(lái)是為了開(kāi)發(fā)一個(gè)自由系統(tǒng)來(lái)取代UNIX的，但是由于開(kāi)發(fā)的內(nèi)核hurd一直不怎么樣，這個(gè)系統(tǒng)至今都沒(méi)出穩(wěn)定版本，然而GNU計(jì)劃中開(kāi)發(fā)的其他一些自由軟件，比如GCC編譯器，卻非常的好，在移植到各大操作系統(tǒng)上一直廣泛使用至今。

注意一點(diǎn)：

文中說(shuō)的自由軟件，千萬(wàn)別與免費(fèi)軟件混淆了，自由是說(shuō)你可以自由的使用，當(dāng)然前提是獲得了源碼才能自由的使用。

比如，你在一個(gè)應(yīng)用里面使用了gcc計(jì)劃的軟件，你賣(mài)自己的應(yīng)用多少錢(qián)你自己定。免費(fèi)的軟件不一定是開(kāi)源的。

2，GCC

先看看wiki百科上的官方說(shuō)明：

“ GCC(GNU Compiler Collection，GNU編譯器套裝)，是一套由GNU開(kāi)發(fā)的編程語(yǔ)言編譯器。它是一套以GPL及LGPL許可證所發(fā)布的自由軟件，也是GNU項(xiàng)目的關(guān)鍵部分，亦是自由的類Unix及蘋(píng)果電腦Mac OS X 操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)編譯器。GCC(特別是其中的C語(yǔ)言編譯器)也常被認(rèn)為是跨平臺(tái)編譯器的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

GCC原名為GNU C語(yǔ)言編譯器(GNU C Compiler)，因?yàn)樗局荒芴幚鞢語(yǔ)言。GCC很快地?cái)U(kuò)展，變得可處理C++。之后也變得可處理Fortran、Pascal、Objective-C、Java、Ada，以及Go與其他語(yǔ)言。

原本用C開(kāi)發(fā)，后來(lái)因?yàn)長(zhǎng)LVM、Clang的崛起，令GCC更快將開(kāi)發(fā)語(yǔ)言轉(zhuǎn)換為C++。許多C的愛(ài)好者在對(duì)C++一知半解的情況下主觀認(rèn)定C++的性能一定會(huì)輸給C，但是Taylor給出了不同的意見(jiàn)，并表明C++不但性能不輸給C，而且能設(shè)計(jì)出更好，更容易維護(hù)的程序 ”

由于GCC已成為GNU系統(tǒng)的官方編譯器(包括GNU/Linux家族)，它也成為編譯與創(chuàng)建其他操作系統(tǒng)的主要編譯器，包括BSD家族、Mac OS X、NeXTSTEP與BeOS。

GCC通常是跨平臺(tái)軟件的編譯器首選。有別于一般局限于特定系統(tǒng)與運(yùn)行環(huán)境的編譯器，GCC在所有平臺(tái)上都使用同一個(gè)前端處理程序，產(chǎn)生一樣的中介碼，因此此中介碼在各個(gè)其他平臺(tái)上使用GCC編譯，有很大的機(jī)會(huì)可得到正確無(wú)誤的輸出程序。

總結(jié)：

mac之前的cocoa框架便是用GCC編譯的，所以ios與mac os都是默認(rèn)使用的GCC編譯器(現(xiàn)在是clang與llvm，下面會(huì)有介紹)

android的系統(tǒng)層因?yàn)槭莑inux內(nèi)核，自然也是GCC編譯的，但是android的app因?yàn)槭沁\(yùn)行在Dalvik虛擬機(jī)，所以用的不是GCC。

windows的應(yīng)用，大部分都是使用的vs系列的編譯器，畢竟是windows自家的編譯器，用到GCC的不多。

3，Clang

先看看wiki百科上的官方說(shuō)明： http://zh.wikipedia.org/wiki/Clang

“ Clang 是一個(gè)C、C++、Objective-C和Objective-C++編程語(yǔ)言的編譯器前端。它采用了底層虛擬機(jī)(LLVM)作為其后端。

它的目標(biāo)是提供一個(gè)GNU編譯器套裝(GCC)的替代品。 Clang項(xiàng)目包括Clang前端和Clang靜態(tài)分析器等。

這個(gè)軟件項(xiàng)目在2005年由蘋(píng)果電腦發(fā)起，是LLVM編譯器工具集的前端(front-end)，目的是輸出代碼對(duì)應(yīng)的抽象語(yǔ)法樹(shù)(Abstract Syntax Tree, AST)，并將代碼編譯成LLVM Bitcode。接著在后端(back-end)使用LLVM編譯成平臺(tái)相關(guān)的機(jī)器語(yǔ)言 。Clang支持C、C++、Objective C。

Clang本身性能優(yōu)異，其生成的AST所耗用掉的內(nèi)存僅僅是GCC的20%左右。FreeBSD 10將Clang/LLVM作為默認(rèn)編譯器.

測(cè)試證明Clang編譯Objective-C代碼時(shí)速度為GCC的3倍，還能針對(duì)用戶發(fā)生的編譯錯(cuò)誤準(zhǔn)確地給出建議。

總結(jié)：

GCC目前作為跨平臺(tái)編譯器來(lái)說(shuō)它的兼容性無(wú)異是最強(qiáng)的，兼容最強(qiáng)肯定是以犧牲一定的性能為基礎(chǔ)的，蘋(píng)果為了提高性能，因此專門(mén)針對(duì)mac系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了專用的編譯器clang與llvm，clang用于編譯器前段，llvm用于后端。

3，LLVM

先看看wiki百科上的官方說(shuō)明：http://zh.wikipedia.org/wiki/LLVM

“ LLVM，它是一個(gè)編譯器的基礎(chǔ)建設(shè)，以C++寫(xiě)成。它是為了任意一種編程語(yǔ)言寫(xiě)成的程序，利用虛擬技術(shù)，創(chuàng)造出編譯時(shí)期，鏈結(jié)時(shí)期，運(yùn)行時(shí)期以及“閑置時(shí)期”的優(yōu)化。

在Xcode4之后，蘋(píng)果將Xcode的默認(rèn)編譯器變成了LLVM，為什么呢?

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(kāi)源世界的編譯器標(biāo)準(zhǔn)一直做得不錯(cuò)，但Apple對(duì)編譯工具會(huì)提出更高的要求。

一方面，是Apple對(duì)Objective-C語(yǔ)言(甚至后來(lái)對(duì)C語(yǔ)言)新增很多特性，但GCC開(kāi)發(fā)者并不買(mǎi)Apple的帳——不給實(shí)現(xiàn)，因此索性后來(lái)兩者分成兩條分支分別開(kāi)發(fā)，這也造成Apple的編譯器版本遠(yuǎn)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(dú)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(lái)調(diào)用GCC，但GCC一直不給做，從根本上限制了LLVM-GCC的開(kāi)發(fā)。 所以，這種不和讓Apple一直在尋找一個(gè)高效的、模塊化的、協(xié)議更放松的開(kāi)源替代品，于是Apple請(qǐng)來(lái)了編譯器高材生Chris Lattner， LLVM就這樣產(chǎn)生了。

Clang歷史

Apple吸收Chris Lattner的目的要比改進(jìn)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(jí)很低。此外GCC作為一個(gè)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(wú)法使用LLVM 繼續(xù)改進(jìn)GCC的代碼質(zhì)量。于是，Apple決定從零開(kāi)始寫(xiě) C、C++、Objective-C語(yǔ)言的前端 Clang，完全替代掉GCC。

正像名字所寫(xiě)的那樣，Clang只支持C，C++和Objective-C三種C家族語(yǔ)言。2007年開(kāi)始開(kāi)發(fā)，C編譯器最早完成，而由于Objective-C相對(duì)簡(jiǎn)單，只是C語(yǔ)言的一個(gè)簡(jiǎn)單擴(kuò)展，很多情況下甚至可以等價(jià)地改寫(xiě)為C語(yǔ)言對(duì)Objective-C運(yùn)行庫(kù)的函數(shù)調(diào)用，因此在2009年時(shí)，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(jìn)行著。

總結(jié)：

因?yàn)镚CC的編譯器已經(jīng)慢慢無(wú)法滿足蘋(píng)果的需求，因此，蘋(píng)果開(kāi)發(fā)了Clang與LLVM來(lái)完全取代GCC，Xcode4之后，蘋(píng)果的默認(rèn)編譯器已經(jīng)是LLVM了。Clang作為編譯器前端，LLVM作為編譯器后端。

在Xcode6.0中查看默認(rèn)編譯器：

4，編譯器相關(guān)知識(shí)

問(wèn)題：蘋(píng)果以clang作為編譯器前端，llvm作為編譯器后端，那么編譯器的前后端到底是什么東西呢?

我們先回到一個(gè)常識(shí)性的問(wèn)題，什么是編譯器呢?簡(jiǎn)單地說(shuō)，編譯器可以看作是一個(gè)語(yǔ)言翻譯器。就像把中文翻譯成英語(yǔ)一樣，編譯器可以把高級(jí)語(yǔ)言翻譯成計(jì)算機(jī)能夠執(zhí)行的機(jī)器語(yǔ)言。這樣看來(lái)，GCC可以算得上是一個(gè)精通多國(guó)語(yǔ)言的高級(jí)翻譯官了。

最簡(jiǎn)單的GCC使用指令如下所示：

gcc hello.c -o hello

GCC接受hello.c作為輸入，最后產(chǎn)生目標(biāo)可執(zhí)行代碼hello。這個(gè)簡(jiǎn)單的流程實(shí)際上經(jīng)歷了很多步驟，如下圖所示：

雖然我們只用了一條命令就完成了編譯，但實(shí)際上gcc命令依次呼叫了cpp，gcc自己，gas以及l(fā)d來(lái)進(jìn)行完整的編譯流程，最后生成最終的可執(zhí)行文件hello。

學(xué)過(guò)編譯原理這門(mén)課程的同學(xué)對(duì)下面這副圖應(yīng)該很熟悉，這是經(jīng)典的編譯流程。

下面以GCC編譯器為例，GCC作為經(jīng)典的編譯器，自然也是遵循這個(gè)教科書(shū)流程(實(shí)際GCC的處理更復(fù)雜點(diǎn)，但本質(zhì)上是一樣的)。

我們先簡(jiǎn)化一下上面這幅圖，以中間代碼為分界，前面的詞法分析、語(yǔ)法分析、語(yǔ)義分析我們把它稱之為前端處理，后面的優(yōu)化和目標(biāo)代碼生成我們稱之為后端處理。

試想一下，是否可以為不同的高級(jí)語(yǔ)言單獨(dú)寫(xiě)一個(gè)前端，然后為不同的處理器架構(gòu)單獨(dú)寫(xiě)一個(gè)后端呢?

GCC基本上也是這么實(shí)現(xiàn)的，不過(guò)不要誤會(huì)，并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的gcc執(zhí)行程序能夠處理如此多的前端和后端，每個(gè)語(yǔ)言的編譯器都是一個(gè)獨(dú)立的程序(如C語(yǔ)言的編譯器是gcc，C++的編譯器是g++)，而不同的后端也要對(duì)應(yīng)不同的可執(zhí)行程序。你可以下載單獨(dú)的一份GCC源代碼，通過(guò)不同的configure來(lái)生成自己需要的編譯器。

而且，編譯器的實(shí)現(xiàn)也比上圖要復(fù)雜的多，前端的主要功能是產(chǎn)生一個(gè)可供后端處理的語(yǔ)法樹(shù)，而語(yǔ)法樹(shù)結(jié)構(gòu)實(shí)際上很難與處理器架構(gòu)脫鉤，這些都是編譯器應(yīng)用中需要解決的問(wèn)題。

GCC強(qiáng)大的真正原因是什么?是因?yàn)樗С至吮姸嗟那岸撕秃蠖藛?這些都不過(guò)是一個(gè)表象而已。GCC是一款真正自由的編譯器，我們可以隨時(shí)把代碼拿過(guò)來(lái)修改以實(shí)現(xiàn)自己需要的功能。如果你的硬件平臺(tái)增加了一些指令，而普通的編譯器并不能產(chǎn)生這些指令怎么辦?在GCC后端添加這些指令吧。如果你覺(jué)得C語(yǔ)言用的不太順手，想給它添加一些功能怎么辦?修改GCC的前端吧。因?yàn)橛辛薌CC，我們才擁有這些自由，以及迅速實(shí)現(xiàn)自己想法的能力，而這些才是GCC強(qiáng)大背后的基礎(chǔ)。