Popular Compilers

Posted on 2022-05-05 Edited on 2026-05-05 In Computer Science Views:

Outline:

GCC
Clang/LLVM
MinGw
Crgwin
MSVC

GCC

Official

GCC： GNU Compiler Collection，是GNU开发的编译器，用于Unix && Unix like的OS
- 原名为GNU C Compiler，因为它原本只能处理C. 经过发展，现在的GCC已经可以处理如下语言:
  - C,
  - C++,
  - Objective-C
  - Fortran
  - Ada
  - Go
  - D
- GCC是Linux和BSD家族的OS的标准编译器。 OSX用的是apple clang
  - 一般来讲，符号链接cc指向了平台的默认编译器. Linux上cc指向gcc, OSX上指向的是clang
- gcc配套的调试工具是gdb, 使用的链接器是ld, 一般用make构建
- gcc生成的代码不跨平台

Command Options

官网 GCC Command Options

Overall Options

1	gcc [option] [file]

注意，[option]和[file]中间可以不加空格，比如可以gcc -l[library]
gcc xx.c默认会把文件输出到当前目录下的a.out
gcc编译cpp文件时只会默认链接C标准库，不默认链接CPP标准库. 因此编译CPP文件需要加选项-lstdc++, 要么就使用g++编译
编译完之后，用其他的机器调试可能是不行的，因为file的路径一般是不一样的。

option	Description
`-c`	只汇编不链接，生成可重定向目标文件`.o`
`-S`	只编译不汇编，生成汇编代码`.s`
`-E`	只预处理不编译，生成预处理后文件`.i`
`-o [file]`	将编译后文件输出到[file]
`-v`	打印编译器内部各编译过程的命令行信息
`-DMACRO[=DEFN]`	定义MACRO宏(针对#define)
`--help`
`--version`

Options for Debugging

option	Description
`-g`	在每一个编译完的二进制码上打上文件名和行号的标签，供gdb使用
`-O/On[n]`	在程序编译、链接过程中进行优化处理. 0 级不优化,默认是2级. 优化和调试不兼容，所以不要同时使用-g 和-O 选项
`-D`	在预处理时添加#define指令, 比如`-DAA=2`相当于在添加了`#define AA 2`

编译优化：
1. 对于不同版本的gcc，n的取值范围及其对应的优化效果可能并不完全相同，比较典型的范围是0-2或0-3.
2. 不同的优化级别对应不同的优化处理工作。例如：优化选项“-O1”主要进行线程跳转和延迟退栈两种优化；优化选项“-O2”除了完成所有的“-O1”级别的优化之外，还要进行一些额外的调整工作，例如处理器指令调度等；优化选项“-O3”则还包括循环开展和其他一些与处理器特性相关的优化工作。
源代码的语句编译成的汇编码可能是多条语句，是一对多的关系
调试器：在执行编译后的二进制码，二进制码会被打标签，记录哪一个源代码的哪一行编译而来的。
调试的时候仍然使用的是本地编译好的二进制文件

Options for Directory Search

option	Description
`-Idir`	在头文件的搜索路径列表中添加dir目录, 其优先级比系统头文件目录高. 如果有多个 `-I` 选项，按从左到右的顺序搜索，最后才是系统头文件目录
`-iquotedir`	和`-I dir`相同，但只对用引号括起来的头文件有效，如`#include "file";`
`--sysroot dir`	用 `dir` 作为头文件和库的根目录, 例如, 如果编译器正常情况下在`/usr/include` 找头文件，在 `/usr/lib` 中找库文件, 开启该选项之后，更改为`dir/usr/include and dir/usr/lib`
`-Ldir`	在库文件的搜索路径列表中添加dir目录

Options for Linking

option	Description
`-static`	只链接静态库
`-shared`	这是默认选项. 链接静态和动态库, 动态库优先
`-l [library]`	链接名为[library]的库文件. `-l`和`[library]`之间可以没有空格. 比如`-lm`就链接了名为`libm.a`的库文件

Options for Warning

option	Description
`-Wall`	会在标准输出上打印warning信息
`-w`	关闭所有warning
`-werror`	把所有的warning信息转换为错误信息，并在warning发生时终止编译过程

Options for Archtecture

option	Description
-mieee-fp/-mno-ieee-fp	使用/不使用IEEE标准进行浮点数的比较
-msoft-float	输出包含浮点库调用的目标代码
-mshort	将int类型作为16位处理，相当于short int
-mrtd	强行将函数参数固定的函数用ret NUM返回，节省调用函数的一条指令
-mcpu=type	针对不同的CPU使用相应的CPU指令。可选择的type有i386、i486、pentium、i686等

Searching Header File

gcc 在编译时查找头文件的顺序：

先查找-I指定的目录
然后找gcc的环境变量 C_INCLUDE_PATH，CPLUS_INCLUDE_PATH，OBJC_INCLUDE_PATH
再找默认目录(取决于OS，有些OS中这些目录不存在)：
1
2
/usr/include
/usr/local/include
gcc的一系列自带目录, 例如:
1
/usr/include/c++/4.8.5

Searching Library File

库文件就是编译好的二进制文件(.o)，相比头文件，使用库文件可以避免暴露源代码，并且减少编译时间。对库文件的链接分为静态链接和动态链接

gcc 在编译时查找库文件的顺序：

先查找-L指定的目录
再找gcc的环境变量LIBRARY_PATH

再找默认目录( 同上，取决于OS)：

/lib
/lib64

/usr/lib
/usr/lib64

/usr/local/lib
/usr/local/lib64

g++

g++: GNU的CPP编译器，其实就是把gcc的前端换掉，后端不变

gcc会根据文件后缀名.c/.cpp将文件分别当作C/CPP来编译. g++统一将文件当作CPP编译
gcc编译cpp文件时只会默认链接C标准库，不默认链接CPP标准库. g++默认页链接CPP标准库
g++的命令选项和gcc相同

Clang/LLVM

Clang官网

Clang+LLVM： LLVM是一个可以跨平台的编译器后端。 Clang是支持LLVM的编译器前端。Clang+LLVM组合是一个完整的编译器tool chain（暴打gcc）
- Clang：Clang是LLVM的C, Objective-C, and C++语言的前端，且也只支持这几种语言
- Clang/LLVM使用的调试工具是LLDB, 链接器是lld, 构建工具是CMAKE
- clang和clang++的关系相当于gcc和g++的关系，一般我们用clang++编译CPP，当然也可以用clang -lstdc++
- OSX上的clang是Apple Clang，这是个clang的发行版，具体有啥区别我也不知道

Clang/LLVM vs gcc

clang的调试信息非常简洁明了，gcc尽管随着不断发展，也在这方面赶上clang，但还有一定差距
clang/LLVM的源代码用CPP书写，结构清晰, 几乎是编译器架构的教科书。 gcc是C写的，而且用了一种类似Lisp的编程范式，有大量的元编程，非常难懂
对于CPP文件，clang的编译速度比gcc快。不过对于c文件，二者没什么差别。
Linux内核的代码里面有很多奇奇怪怪的语法，是和gcc妥协写的，clang目前好像还不能编译linux内核。另外，对于CPP模板元编程的报错信息，clang比gcc优雅很多

Criteria	gcc	Clang/LLVM
License	GNU GPL	Apache 2.0
Supported language standards	C++23 in experimental stage, C++20 fully complaint. gcc官网上的CPP标准支持情况	C++17 support available. C++20和23都只是部分支持 Clang官网上的CPP标准支持情况
Generated Code Characteristics	Efficient with a lot of compiler options to play around with	Efficient due to the SSA form used by LLVM backend
Language independent type system	No	Yes (One of the design goal for LLVM)
Build tool	Make based	CMake
Parser	Previously Bison LR. Now recursive descent.	Hand-written recursive descent
Linker	LD	lld
Debugger	GDB	LLDB

查看编译器支持的CPP标准:

// test.cpp
#include<iostream>                                                                                                                                                                                                using namespace std;
int main(){
  //也有人会打印__STDC_VERSION__, 但这个宏不是被所有编译器支持的， 比如g++就不支持
  cout << __cplusplus << endl;
}

1	clang++ test.cpp -lstdc++ -o test && ./test

1	g++ test.cpp -lstdc++ -o test && ./test

截至目前，Gcc对CPP23标准的支持只是实验性的，参见官网:

C++23 features are available since GCC 11. To enable C++23 support, add the command-line parameter -std=c++2b to your g++ command line. Or, to enable GNU extensions in addition to C++23 features, add -std=gnu++2b.

Important: Because the ISO C++23 standard is still evolving, GCC's support is experimental. No attempt will be made to maintain backward compatibility with implementations of C++23 features that do not reflect the final standard.

LLVM Basic

创建一个C语言文件test.c

#include <stdio.h>
int main() {
  printf("hello world\n");
  return 0;
}

编译生成可执行文件：
1
clang test.c -o test
运行可执行文件

生成llvm字节码文件：

1	clang -O1 -emit-llvm test.c -c -o test.bc

生成LLVM 的汇编代码 .ll 文件(可视化字节码文件):
1
clang -O1 -emit-llvm test.c -S -o test.ll
运行字节码文件：
1
lli test.bc
.ll文件也可以用lli来执行
将 .bc 文件转化为 .ll 文件:
1
llvm-dis test.bc
将 .ll 文件转化为 .bc 文件:
1
llvm-as test.ll
编译字节码文件为汇编文件：
1
llc test.bc -o test.s
将 .bc 或 .ll 文件转化为本机平台的汇编代码：
1
2
llc test.bc
llc test.ll

MinGw

MinGW: Minimalist GNU For Windows. Window平台的编译器, 事实上它不只是一个编译器, 还包含了Linux(事实上是GNU)的一系列工具(包括编译器GCC和开发工具gawk, bison等), 使用MinGw可以在Win上使用类似Linux的开发工具链来构建Windows应用. 而且交叉编译Linux和WIndows代码也更方便

MinGw包含了一系列头文件和库文件, 允许人们在没有第三方动态链接库的情况下使用 GCC（GNU Compiler C）产生 Windows32 程序。
MinGW把源码中Unix-like OS API调用通过头文件翻译替换成相应的Windows API调用的编译环境
MinGW与Linux下广泛使用的GNU近乎完全兼容，这意味着，在Linux下如何编译源代码，在MinGW中也可以以完全相同的方式编译. 本质上讲，MinGw是为了给那些因为不喜欢使用Unix/Unix like而使用WIn的人一个和GNU大体相符的编译环境的

Cygwin

Cygwin: 一个Windows下Unix-like模拟环境，具体说就是Unix-like接口（OS API，命令行）重定向层，其目的是不修改软件源码仅重新编译就可以将Unix-like系统上的软件移植到Windows上（这个移植也许还算不上严格意义上的无缝移植）
- Cygwin是让Windows拥有Unix-like环境的软件, 它里面安装了GCC, 作为其编译器
- Cygwin可以比MingW移植更多的软件到Windows上，对Linux接口模拟比MingW全面
- Cygwin模拟的Unix-like环境依然不是真实的Unix-like环境，比如说，Cygwin依然只能打开exe文件，没法打开elf文件

# MSVC

MSVC: 微软开发的WIndows native的编译器和运行时, MSVC只能编译出WIndows平台的应用