GNU?

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來源 | 技術(shù)讓夢想更偉大

整理 | 李肖遙

很多時候，出現(xiàn)一些類似GNU,GCC,CLANG,LLVM等與編譯器有關(guān)的名詞的時候，都不太清楚它到底是干嘛的,理解這些東西后，對于xcode中很多配置型的需求修改起來都會得心應(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百科上的官方說明：

“GNU，名稱來自Gnu's Not Unix"的縮寫，一個類UNIX的操作系統(tǒng)，由GNU計劃推動，目標(biāo)在于創(chuàng)建一個完全兼容于UNIX的自由軟件環(huán)境?！?

由于當(dāng)時UNIX系統(tǒng)是商業(yè)軟件，是收費的，而且有一部分源碼是沒有開放的，所以在1983年，理查德·斯托曼提出GNU計劃，希望發(fā)展出一套完整的開放源代碼操作系統(tǒng)來取代Unix，計劃中的操作系統(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等等一些軟件來支持。

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

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

1991年，Linux出現(xiàn)，所有GNU項目中，運行于用戶空間的軟件，都可以在Linux上使用。許多開發(fā)者轉(zhuǎn)向于Linux，Linux成為常見的GNU計劃軟件運行平臺。理查德·斯托曼主張，Linux操作系統(tǒng)使用了許多GNU計劃軟件，應(yīng)正名為GNU/Linux，但沒有得到Linux社區(qū)的一致認(rèn)同，形成GNU/Linux命名爭議。

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的開發(fā)與修改，也經(jīng)常將Linux當(dāng)成開發(fā)GNU計劃軟件的平臺。該操作系統(tǒng)往往被稱為“GNU/Linux”或簡稱Linux。但Linux本身不屬于GNU計劃的一部份，GNU計劃自己的內(nèi)核Hurd依然在開發(fā)中，但直到2013年為止，都還沒有穩(wěn)定版本發(fā)布。

GNU工程十幾年以來已經(jīng)成為一個對軟件開發(fā)主要的影響力量，創(chuàng)造了無數(shù)的重要的工具，例如：強健的編譯器，有力的文本編輯器，甚至一個全功能的操作系統(tǒng)。這個工程是從1984年麻省理工學(xué)院的程序員理查德·斯托曼的想法得來的，他想要創(chuàng)建一個自由的、和UNIX類似的操作環(huán)境。從那時開始，許多程序員聚集起來開始開發(fā)一個自由的、高質(zhì)量、易理解的軟件。

GNU計劃采用了部分當(dāng)時已經(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GNU計劃也開發(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，因為GNU軟件的質(zhì)量比之前UNIX的軟件還要好。

所以，GNU計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計劃本來是為了開發(fā)一個自由系統(tǒng)來取代UNIX的，但是由于開發(fā)的內(nèi)核hurd一直不怎么樣，這個系統(tǒng)至今都沒出穩(wěn)定版本，然而GNU計劃中開發(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

文中說的自由軟件，千萬別與免費軟件混淆了，自由是說你可以自由的使用，當(dāng)然前提是獲得了源碼才能自由的使用。

比如，你在一個應(yīng)用里面使用了gcc計劃的軟件，你賣自己的應(yīng)用多少錢你自己定。免費的軟件不一定是開源的。

2，GCC

先看看wiki百科上的官方說明：

“ 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)布的自由軟件，也是GNU項目的關(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(biāo)準(zhǔn)編譯器。GCC(特別是其中的C語言編譯器)也常被認(rèn)為是跨平臺編譯器的事實標(biāo)準(zhǔn)。

GCC原名為GNU C語言編譯器(GNU C Compiler)，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、Ada，以及Go與其他語言。

原本用C開發(fā)，后來因為LLVM、Clang的崛起，令GCC更快將開發(fā)語言轉(zhuǎn)換為C 。許多C的愛好者在對C 一知半解的情況下主觀認(rèn)定C 的性能一定會輸給C，但是Taylor給出了不同的意見，并表明C 不但性能不輸給C，而且能設(shè)計出更好，更容易維護的程序 ”

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

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，下面會有介紹)

android的系統(tǒng)層因為是linux內(nèi)核，自然也是GCC編譯的，但是android的app因為是運行在Dalvik虛擬機，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百科上的官方說明：http://zh.wikipedia.org/wiki/Clang

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

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

這個軟件項目在2005年由蘋果電腦發(fā)起，是LLVM編譯器工具集的前端(front-end)，目的是輸出代碼對應(yīng)的抽象語法樹(Abstract Syntax Tree, AST)，并將代碼編譯成LLVM Bitcode。接著在后端(back-end)使用LLVM編譯成平臺相關(guān)的機器語言 。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.

測試證明Clang編譯Objective-C代碼時速度為GCC的3倍，還能針對用戶發(fā)生的編譯錯誤準(zhǔn)確地給出建議。

總結(jié)

GCC目前作為跨平臺編譯器來說它的兼容性無異是最強的，兼容最強肯定是以犧牲一定的性能為基礎(chǔ)的，蘋果為了提高性能，因此專門針對mac系統(tǒng)開發(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百科上的官方說明：http://zh.wikipedia.org/wiki/LLVM

“ LLVM，它是一個編譯器的基礎(chǔ)建設(shè)，以C 寫成。它是為了任意一種編程語言寫成的程序，利用虛擬技術(shù)，創(chuàng)造出編譯時期，鏈結(jié)時期，運行時期以及“閑置時期”的優(yōu)化。

在Xcode4之后，蘋果將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作為開源世界的編譯器標(biāo)準(zhǔn)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，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， LLVM就這樣產(chǎn)生了。

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。

更詳細(xì)的原因：

Xcode編譯器介紹:

http://www.cnblogs.com/ydhliphonedev/archive/2012/08/29/2661726.html

總結(jié)：

因為GCC的編譯器已經(jīng)慢慢無法滿足蘋果的需求，因此，蘋果開發(fā)了Clang與LLVM來完全取代GCC，Xcode4之后，蘋果的默認(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

問題：蘋果以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?

我們先回到一個常識性的問題，什么是編譯器呢?簡單地說，編譯器可以看作是一個語言翻譯器。就像把中文翻譯成英語一樣，編譯器可以把高級語言翻譯成計算機能夠執(zhí)行的機器語言。這樣看來，GCC可以算得上是一個精通多國語言的高級翻譯官了。

最簡單的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，這個簡單的流程實際上經(jīng)歷了很多步驟。

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

學(xué)過編譯原理這門課程的同學(xué)對下面這副圖應(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，自然也是遵循這個教科書流程(實際GCC的處理更復(fù)雜點，但本質(zhì)上是一樣的)。

我們先簡化一下上面這幅圖，以中間代碼為分界，前面的詞法分析、語法分析、語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語言單獨寫一個前端，然后為不同的處理器架構(gòu)單獨寫一個后端呢?

GCC基本上也是這么實現(xiàn)的，不過不要誤會，并沒有一個統(tǒng)一的gcc執(zhí)行程序能夠處理如此多的前端和后端，每個語言的編譯器都是一個獨立的程序(如C語言的編譯器是gcc，C 的編譯器是g )，而不同的后端也要對應(yīng)不同的可執(zhí)行程序。你可以下載單獨的一份GCC源代碼，通過不同的configure來生成自己需要的編譯器。

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

GCC強大的真正原因是什么?是因為它支持了眾多的前端和后端嗎?這些都不過是一個表象而已。GCC是一款真正自由的編譯器，我們可以隨時把代碼拿過來修改以實現(xiàn)自己需要的功能。如果你的硬件平臺增加了一些指令，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。如果你覺得C語言用的不太順手，想給它添加一些功能怎么辦?修改GCC的前端吧。因為有了GCC，我們才擁有這些自由，以及迅速實現(xiàn)自己想法的能力，而這些才是GCC強大背后的基礎(chǔ)。

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