iOS之GCC，LLVM，Clang三种编译器

    iOS在XCode编译代码码过程中，有时会遇到clang: error: linker command failed with exit code 1 (use -v to see invocation) 错误。那么，clang是什么意思呢？原来它是XCode内置专门用于编译C、C++、Objective-C文件的编译器。

    既然提到编译器，我们再来看一看在XCode中，我们经常会看到这些编译选项（如下图），有些人可能会有些茫然，本文将对GCC4.2、LLVM GCC 4.2、LLVM compliler 2.0三个编译选项进行一个详细的介绍。

 

GCC

    GCC（GNU Compiler Collection，GNU编译器套装），是一套由 GNU 开发的编程语言编译器。它是一套以 GPL 及 LGPL 许可证所发行的自由软件，也是 GNU计划的关键部分，亦是自由的类Unix及苹果电脑 Mac OS X 操作系统的标准编译器。

GCC 原名为 GNU C 语言编译器，因为它原本只能处理 C语言。GCC 很快地扩展，变得可处理 C++。之后也变得可处理 Fortran、Pascal、Objective-C、Java, 以及 Ada与其他语言。

 

LLVM

LLVM介绍

LLVM（low level virtual machine）是一个开源编译器框架，这个库提供了与编译器相关的支持，能够进行程序语言的编译期优化、链接优化、在线编译优化、代码生成。简而言之，可以作为多种语言编译器的后台来使用。如果这样还比较抽象的话，介绍下 Clang 就知道了：Clang 是一个 C++ 编写、基于 LLVM、发布于 LLVM BSD 许可证下的 C/C++/Objective C/Objective C++ 编译器，其目标（之一）就是超越 GCC。LLVM最早的时候是Illinois的一个研究项目，主要负责人是Chris Lattner，他现在就职于Apple. Apple 目前也是llvm项目的主要赞助者之一。llvm有一个表达形式很好的IR语言，高度模块化的结构，因此它可以作为多种语言的后端，提供与编程语言无关的优化和针对多种CPU的代码生成功能。

LLVM历史

    Apple（包括中后期的NeXT） 一直使用GCC作为官方的编译器。GCC作为开源世界的编译器标准一直做得不错，但Apple对编译工具会提出更高的要求。

    一方面，是Apple对Objective-C语言（甚至后来对C语言）新增很多特性，但GCC开发者并不买Apple的帐——不给实现，因此索性后来两者分成两条分支分别开发，这也造成Apple的编译器版本远落后于GCC的官方版本。另一方面，GCC的代码耦合度太高，不好独立，而且越是后期的版本，代码质量越差，但Apple想做的很多功能（比如更好的IDE支持）需要模块化的方式来调用GCC，但GCC一直不给做。甚至最近，《GCC运行环境豁免条款 （英文版）》从根本上限制了LLVM-GCC的开发。 所以，这种不和让Apple一直在寻找一个高效的、模块化的、协议更放松的开源替代品，于是Apple请来了编译器高材生Chris Lattner（2000年，本科毕业的Chris Lattner像中国多数大学生一样，按部就班地考了GRE，最终前往UIUC（伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校），开始了艰苦读计算机硕士和博士的生涯。在这阶段，他不仅周游美国各大景点，更是努力学习科学文化知识，翻烂了“龙书”（《Compilers: Principles, Techniques, and Tools》），成了GPA牛人【注：最终学分积4.0满分】，以及不断地研究探索关于编译器的未知领域，发表了一篇又一篇的论文，是中国传统观念里的“三好学生”。他的硕士毕业论文提出了一套完整的在编译时、链接时、运行时甚至是在闲置时优化程序的编译思想，直接奠定了LLVM的基础。LLVM在他念博士时更加成熟，使用GCC作为前端来对用户程序进行语义分析产生IF（Intermidiate Format），然后LLVM使用分析结果完成代码优化和生成。这项研究让他在2005年毕业时，成为小有名气的编译器专家，他也因此早早地被Apple相中，成为其编译器项目的骨干）。

    刚进入Apple，Chris Lattner就大展身手：首先在OpenGL小组做代码优化，把LLVM运行时的编译架在OpenGL栈上，这样OpenGL栈能够产出更高效率的图形代码。如果显卡足够高级，这些代码会直接扔入GPU执行。但对于一些不支持全部OpenGL特性的显卡（比如当时的Intel GMA卡），LLVM则能够把这些指令优化成高效的CPU指令，使程序依然能够正常运行。这个强大的OpenGL实现被用在了后来发布的Mac OS X 10.5上。同时，LLVM的链接优化被直接加入到Apple的代码链接器上，而LLVM-GCC也被同步到使用GCC4代码。

 

Clang历史

    Apple吸收Chris Lattner的目的要比改进GCC代码优化宏大得多——GCC系统庞大而笨重，而Apple大量使用的Objective-C在GCC中优先级很低。此外GCC作为一个纯粹的编译系统，与IDE配合得很差。加之许可证方面的要求，Apple无法使用LLVM 继续改进GCC的代码质量。于是，Apple决定从零开始写 C、C++、Objective-C语言的前端 Clang，完全替代掉GCC。

    正像名字所写的那样，Clang只支持C，C++和Objective-C三种C家族语言。2007年开始开发，C编译器最早完成，而由于Objective-C相对简单，只是C语言的一个简单扩展，很多情况下甚至可以等价地改写为C语言对Objective-C运行库的函数调用，因此在2009年时，已经完全可以用于生产环境。C++的支持也热火朝天地进行着。

什么是clang编译器？

clang是LLVM编译器工具集的一个用于编译C、C++、Objective-C的前端。LLVM项目的目标是提供一个GNU编译器套装（gcc）的替代品，由苹果公司的赞助开发，其源代码授权采用的是类BSD的伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校开源码许可。

clang编译器的优势与劣势

相比于gcc，clang具有如下优点：

• 编译速度更快：在某些平台上，clang的编译速度要明显快于gcc。
• 占用内存更小：clang生成的AST所占用的内存通常是gcc的五分之一左右。
• 模块化的设计：clang采用基于库的模块化设计，更易于IDE的集成及其他用途的重用。
• 诊断信息可读性强：在编译过程中，clang会创建并保留大量详细的元数据 (metadata)，这将更有利于调试和错误报告。
• 设计更清晰简单，容易理解，易于扩展加强。与代码基础较为古老的gcc相比，学习曲线会显得更为平缓。

当前 Clang 还处在不断完善过程中，相比于gcc, clang在以下方面还需要加强：

• 需要支持更多语言：gcc除了支持 C/C++/Objective-C, 还支持Fortran/Pascal/Java/Ada/Go等其他语言。clang 目前基本上只支持C/C++/Objective-C/Objective-C++这四种语言。
• 需要加强对C++的支持：clang对C++的支持依然落后于gcc，clang 还需要加强对C++ 提供全方位支持。
• 需要支持更多平台：由于gcc流行的时间比较长，已经被广泛使用，对各种平台的支持也很完备。clang目前支持的平台有 Linux/Windows/Mac OS。

    下面这张图将显示GCC、LLVM-GCC、LLVM Compiler这三个编译选项的不同点：

 

对比    

    作为一种新的编译器，我们来看Clang和GCC各有什么优缺点：

    Clang特性

1. 快：通过编译 OS X 上几乎包含了所有 C 头文件的 carbon.h 的测试，包括预处理 (Preprocess)，语法 (lex)，解析 (parse)，语义分析 (Semantic Analysis)，抽象语法树生成 (Abstract Syntax Tree) 的时间，Clang 是 Apple GCC 4.0 的 2.5x 快。(2007-7-25)

1. 内存占用小：Clang 内存占用是源码的 130%，Apple GCC 则超过 10x。
2. 诊断信息可读性强：我不会排版，推荐去网站观看。其中错误的语法不但有源码提示，还会在错误的调用和相关上下文的下方有~~~~~和^的提示，相比之下 GCC 的提示很天书。
3. GCC 兼容性。
4. 设计清晰简单，容易理解，易于扩展增强。与代码基础古老的 GCC 相比，学习曲线平缓。
5. 基于库的模块化设计，易于 IDE 集成及其他用途的重用。由于历史原因，GCC 是一个单一的可执行程序编译器，其内部完成了从预处理到最后代码生成的全部过程，中间诸多信息都无法被其他程序重用。Clang 将编译过程分成彼此分离的几个阶段，AST 信息可序列化。通过库的支持，程序能够获取到 AST 级别的信息，将大大增强对于代码的操控能力。对于 IDE 而言，代码补全、重构是重要的功能，然而如果没有底层的支持，只使用 tags 分析或是正则表达式匹配是很难达成的。

     当然，GCC 也有其优势：

• 支持 JAVA/ADA/FORTRAN
• 当前的 Clang 的 C++ 支持落后于 GCC，参见http://clang.llvm.org/cxx_status.html。（近日 Clang 已经可以自编译，见http://www.phoronix.com/scan.php?page=news_item&px=Nzk2Mw）
• GCC 支持更多平台
• GCC 更流行，广泛使用，支持完备
• GCC 基于 C，不需要 C++ 编译器即可编译

要选择哪个

     那么三个编译选项，要选择哪一个呢？目前不推荐使用老的GCC4.2，因为苹果不会维持它了，而且LLVM-GCC看起来会更好。在项目中途改编译选项可是一个大变动，所以，如果你要改，当然需要经过慎重完整的测试。

    对新的项目而言，LLVM-GCC看起來应该是个安全的选择，苹果公司认为它够稳定够成熟，所以才把它当做Xcode 4的预设选项（你或许不会把稳定成熟这两个字眼跟Xcode 4本身画上等号），而且，既然选项使用的是GCC parser，向后兼容性应该没问题。 
    我说LLVM-GCC是个安全的选项，但我并不是指Clang/LLVM比较不安全，只是成熟度还沒那么高效了，我将一些以前的代码拿到Xcode 4上，使用LLVM 2.0编译器重新编译，到目前为止还沒发现任何问题。

ps:目前最新XCode 8已经摒弃GCC，转而默认使用LLVM编译器.

使用编译器

block是如何实现的呢？下面是一个最简单的block的定义与使用

[objc] view plain copy

1. int main(int argc, const charchar * argv[]) {  
2.     void (^block)(void) = ^{printf("This is a block！");};  
3.     block();  
4. }  

通过终端，我们找到main.m文件所在路径，然后输入

[plain] view plain copy

1. clang -rewrite-objc main.m  

（通过clang编译器，我们可以获得在编译过程中生产的中间代码，看block时如何实现的）

在当前目录下找到main.cpp文件，打开后能看到block生成了很多结构体如下：（简化后代码,可查找关键字），

[objc] view plain copy

1. struct __block_impl {  
2.     voidvoid *isa;//block存放位置，取值为_NSConcretGlobalBlock(全局区)、_NSConcretStackBlock(栈区)、_NSConcretMallocBlock(堆区)  
3.     int Flags;//用于按bit位表示一些block的附加信息，block copy的实现代码可以看到对该变量的使用。  
4.     int Reserved;//保留变量。  
5.     voidvoid *FuncPtr;  
6. };  
7.   
8. static struct __main_block_desc_0 {  
9.     size_t reserved;  
10.     size_t Block_size;  
11. } __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0)};  
12.   
13. static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {  
14.     printf("This is a block！");  
15. }  
16.   
17. struct __main_block_impl_0 {  
18.     struct __block_impl impl;  
19.     struct __main_block_desc_0* Desc;  
20.     __main_block_impl_0(voidvoid *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int flags=0) { //构造函数  
21.         impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;  
22.         impl.Flags = flags;  
23.         impl.FuncPtr = fp;  
24.         Desc = desc;  
25.     }  
26. };  
27.   
28. int main(int argc, const charchar * argv[]) {  
29.     void (*block)(void) = (void (*)())&__main_block_impl_0((voidvoid *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA);  
30.     ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);  
31. }  

看上去很多，其实没那么难理解，一个一个来分别介绍他们的意思：

__block_impl：block的一些基础属性，像是block的基类。

__main_block_desc_0：block的描述，他有一个实例__main_block_desc_0_DATA 

__main_block_impl_0：block变量（包含上面两个结构体对象）。

__main_block_func_0：block的匿名函数。存放block内的语句。

命名规则：“main”为block所在函数名，如果定义在函数外为block的名字，末尾的“0”表示为当前函数中第“0”个block。

在末尾的main函数中，我们可以看到block的初始化是调用__main_block_impl_0的构造函数，所以block的内容简化后为：

[objc] view plain copy

1. struct __main_block_impl_0 {  
2.     voidvoid *isa;  
3.     int Flags;  
4.     int Reserved;  
5.     voidvoid *FuncPtr;  
6.     size_t reserved;  
7.     size_t Block_size;  
8.     __main_block_impl_0(#block匿名函数的指针#,#__main_block_desc_0的实例指针#, int flags=0);  
9. };  

由此可见：block其实就是一个Object-c对象。

参考：

http://www.cnblogs.com/qoakzmxncb/archive/2013/04/18/3029105.html

http://blog.csdn.net/qq_30107991/article/details/49963465