GNU & GCC 编译器的这些知识你都知道了吗？

sunsili

GNU & GCC 编译器的这些知识你都知道了吗？


很多时候，出现一些类似GNU,GCC,CLANG,LLVM等与编译器有关的名词的时候，都不太清楚它到底是干嘛的,理解这些东西后，对于xcode中很多配置型的需求修改起来都会得心应手，因此有必要了解透彻他们直接的关系与区别。

1，GNU
先看看wiki百科上的官方说明：

“GNU，名称来自Gnu's Not Unix"的缩写，一个类UNIX的操作系统，由GNU计划推动，目标在于创建一个完全兼容于UNIX的自由软件环境。”

由于当时UNIX系统是商业软件，是收费的，而且有一部分源码是没有开放的，所以在1983年，理查德·斯托曼提出GNU计划，希望发展出一套完整的开放源代码操作系统来取代Unix，计划中的操作系统，名为GNU。

因此，GNU的出现的目的就是为了取代UNIX系统。

但是操作系统是包括很多软件的，除了操作系统内核之外，还要有编辑器，编译器，shell等等一些软件来支持。

1989年，GNU项目中的其他部份，如编辑器、编译器、shell等都已经完成，独缺操作系统核心。1990年，自由软件基金会开始正式发展Hurd，作为GNU项目中的操作系统。

注意：linux并不是GNU计划的一部分。linux只是使用了许多GNU计划软件(包括GCC编译器，文本编译器等)。

1991年，Linux出现，所有GNU项目中，运行于用户空间的软件，都可以在Linux上使用。许多开发者转向于Linux，Linux成为常见的GNU计划软件运行平台。理查德·斯托曼主张，Linux操作系统使用了许多GNU计划软件，应正名为GNU/Linux，但没有得到Linux社区的一致认同，形成GNU/Linux命名争议。

1992年，Linux与其他GNU软件结合，完全自由的操作系统正式诞生。许多程序员参与了Linux的开发与修改，也经常将Linux当成开发GNU计划软件的平台。该操作系统往往被称为“GNU/Linux”或简称Linux。但Linux本身不属于GNU计划的一部份，GNU计划自己的内核Hurd依然在开发中，但直到2013年为止，都还没有稳定版本发布。

GNU工程十几年以来已经成为一个对软件开发主要的影响力量，创造了无数的重要的工具，例如：强健的编译器，有力的文本编辑器，甚至一个全功能的操作系统。这个工程是从1984年麻省理工学院的程序员理查德·斯托曼的想法得来的，他想要创建一个自由的、和UNIX类似的操作环境。从那时开始，许多程序员聚集起来开始开发一个自由的、高质量、易理解的软件。

GNU计划采用了部分当时已经可自由使用的软件，例如TeX排版系统和X Window视窗系统等。不过GNU计划也开发了大批其他的自由软件，这些软件也被移植到其他操作系统平台上，例如Microsoft Windows、BSD家族、Solaris及Mac OS。

许多UNIX系统上也安装了GNU软件，因为GNU软件的质量比之前UNIX的软件还要好。

所以，GNU计划中的许多软件目前在所有的操作系统中都应用广泛(Unix，mac，linux，windows，bsd...)，最出名的就是GCC了

总结
GNU计划本来是为了开发一个自由系统来取代UNIX的，但是由于开发的内核hurd一直不怎么样，这个系统至今都没出稳定版本，然而GNU计划中开发的其他一些自由软件，比如GCC编译器，却非常的好，在移植到各大操作系统上一直广泛使用至今。

注意一点
文中说的自由软件，千万别与免费软件混淆了，自由是说你可以自由的使用，当然前提是获得了源码才能自由的使用。

比如，你在一个应用里面使用了gcc计划的软件，你卖自己的应用多少钱你自己定。免费的软件不一定是开源的。

2，GCC
先看看wiki百科上的官方说明：

“ 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许可证所发布的自由软件，也是GNU项目的关键部分，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(特别是其中的C语言编译器)也常被认为是跨平台编译器的事实标准。

GCC原名为GNU C语言编译器(GNU C Compiler)，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、Ada，以及Go与其他语言。

原本用C开发，后来因为LLVM、Clang的崛起，令GCC更快将开发语言转换为C++。许多C的爱好者在对C++一知半解的情况下主观认定C++的性能一定会输给C，但是Taylor给出了不同的意见，并表明C++不但性能不输给C，而且能设计出更好，更容易维护的程序 ”

由于GCC已成为GNU系统的官方编译器(包括GNU/Linux家族)，它也成为编译与创建其他操作系统的主要编译器，包括BSD家族、Mac OS X、NeXTSTEP与BeOS。

GCC通常是跨平台软件的编译器首选。有别于一般局限于特定系统与运行环境的编译器，GCC在所有平台上都使用同一个前端处理程序，产生一样的中介码，因此此中介码在各个其他平台上使用GCC编译，有很大的机会可得到正确无误的输出程序。

总结
mac之前的cocoa框架便是用GCC编译的，所以ios与mac os都是默认使用的GCC编译器(现在是clang与llvm，下面会有介绍)

android的系统层因为是linux内核，自然也是GCC编译的，但是android的app因为是运行在Dalvik虚拟机，所以用的不是GCC。

windows的应用，大部分都是使用的vs系列的编译器，毕竟是windows自家的编译器，用到GCC的不多。

3，Clang
先看看wiki百科上的官方说明：http://zh.wikipedia.org/wiki/Clang

“ Clang 是一个C、C++、Objective-C和Objective-C++编程语言的编译器前端。它采用了底层虚拟机(LLVM)作为其后端。

它的目标是提供一个GNU编译器套装(GCC)的替代品。Clang项目包括Clang前端和Clang静态分析器等。

这个软件项目在2005年由苹果电脑发起，是LLVM编译器工具集的前端(front-end)，目的是输出代码对应的抽象语法树(Abstract Syntax Tree, AST)，并将代码编译成LLVM Bitcode。接着在后端(back-end)使用LLVM编译成平台相关的机器语言 。Clang支持C、C++、Objective C。

Clang本身性能优异，其生成的AST所耗用掉的内存仅仅是GCC的20%左右。FreeBSD 10将Clang/LLVM作为默认编译器.

测试证明Clang编译Objective-C代码时速度为GCC的3倍，还能针对用户发生的编译错误准确地给出建议。

总结
GCC目前作为跨平台编译器来说它的兼容性无异是最强的，兼容最强肯定是以牺牲一定的性能为基础的，苹果为了提高性能，因此专门针对mac系统开发了专用的编译器clang与llvm，clang用于编译器前段，llvm用于后端。

3，LLVM
先看看wiki百科上的官方说明：http://zh.wikipedia.org/wiki/LLVM

“ LLVM，它是一个编译器的基础建设，以C++写成。它是为了任意一种编程语言写成的程序，利用虚拟技术，创造出编译时期，链结时期，运行时期以及“闲置时期”的优化。

在Xcode4之后，苹果将Xcode的默认编译器变成了LLVM，为什么呢?

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，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， LLVM就这样产生了。

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。

更详细的原因：
Xcode编译器介绍:
http://www.cnblogs.com/ydhliphonedev/archive/2012/08/29/2661726.html

总结：
因为GCC的编译器已经慢慢无法满足苹果的需求，因此，苹果开发了Clang与LLVM来完全取代GCC，Xcode4之后，苹果的默认编译器已经是LLVM了。Clang作为编译器前端，LLVM作为编译器后端。

在Xcode6.0中查看默认编译器：

4，编译器相关知识
问题：苹果以clang作为编译器前端，llvm作为编译器后端，那么编译器的前后端到底是什么东西呢?

我们先回到一个常识性的问题，什么是编译器呢?简单地说，编译器可以看作是一个语言翻译器。就像把中文翻译成英语一样，编译器可以把高级语言翻译成计算机能够执行的机器语言。这样看来，GCC可以算得上是一个精通多国语言的高级翻译官了。

最简单的GCC使用指令如下所示：
gcc hello.c -o hello
GCC接受hello.c作为输入，最后产生目标可执行代码hello，这个简单的流程实际上经历了很多步骤。

虽然我们只用了一条命令就完成了编译，但实际上gcc命令依次呼叫了cpp，gcc自己，gas以及ld来进行完整的编译流程，最后生成最终的可执行文件hello。

学过编译原理这门课程的同学对下面这副图应该很熟悉，这是经典的编译流程。

下面以GCC编译器为例，GCC作为经典的编译器，自然也是遵循这个教科书流程(实际GCC的处理更复杂点，但本质上是一样的)。

我们先简化一下上面这幅图，以中间代码为分界，前面的词法分析、语法分析、语义分析我们把它称之为前端处理，后面的优化和目标代码生成我们称之为后端处理。

试想一下，是否可以为不同的高级语言单独写一个前端，然后为不同的处理器架构单独写一个后端呢?

GCC基本上也是这么实现的，不过不要误会，并没有一个统一的gcc执行程序能够处理如此多的前端和后端，每个语言的编译器都是一个独立的程序(如C语言的编译器是gcc，C++的编译器是g++)，而不同的后端也要对应不同的可执行程序。你可以下载单独的一份GCC源代码，通过不同的configure来生成自己需要的编译器。

而且，编译器的实现也比上图要复杂的多，前端的主要功能是产生一个可供后端处理的语法树，而语法树结构实际上很难与处理器架构脱钩，这些都是编译器应用中需要解决的问题。

GCC强大的真正原因是什么?是因为它支持了众多的前端和后端吗?这些都不过是一个表象而已。GCC是一款真正自由的编译器，我们可以随时把代码拿过来修改以实现自己需要的功能。如果你的硬件平台增加了一些指令，而普通的编译器并不能产生这些指令怎么办?在GCC后端添加这些指令吧。如果你觉得C语言用的不太顺手，想给它添加一些功能怎么办?修改GCC的前端吧。因为有了GCC，我们才拥有这些自由，以及迅速实现自己想法的能力，而这些才是GCC强大背后的基础。