clang 01.clang简介

2023-11-11

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前言
1. Clang的工作流程

前言

Clang的官方网站是 http://clang.llvm.org，它被认为是C家族的LLVM前端。

Clang可能指代三种不同的实体：

前端（由Clang程序库实现）。
编译器驱动器（由Clang命令和Clang驱动器程序库实现）。
实际的编译器（由clang -cc1 命令实现）。clang -cc1中的编译器不单用Clang程序库实现，还大量用到了LLVM程序库来实现编译器的中端和后端，还有集成的汇编器。

本章中主要将clang作为前端，并使用它的程序库构建自己的编译器。

1. Clang的工作流程

前面我们说clang可能指代三种不同的实体：

它可以指代编译器前端是因为它实现了词法分析、语法分析、语义分析和中间代码生成这些步骤，并且把它们封装成libclang（模块化）。这些库是为clang外部用户设计的重要接口，可以单独使用，并将他们跟你的项目链接在一起。如下是相关的程序库：

libclangLex:这个库用于预处理和词法分析，处理宏、标记、pragma构造；
libclangAST:这个库提供编译、操作、遍历抽象语法树的功能；
libclangParse:这个库用于解析程序逻辑，利用此法阶段的结果；
libclangSema：这个库用于语义分析，为AST验证提供Action（动作）。
libclangAnalysis：这个库包含静态分析的资源；
libclangRewrite：这个库支持代码重写，为编译器代码重构工具提供基础设施（如LibTooling这个后面再参阅）；
libclangBasic：这个库提供一系列实用工具-内存分配抽象、源代码位置、诊断，等。

编译器驱动器，该代码在clang/tools/driver/driver.cpp中实现，clang（这里指编译器前端）和llvm前后分离，编译器驱动器将命令行参数解析，并调用实际的编译器clang -cc1对source进行编译链接。
clang hello.c -o hello就是调用编译器驱动器；
clang hello.c -###，可以在驱动器命令行后面加-###来查看驱动器的调用清单；

$ clang main.c -###
clang version 15.0.7
Target: x86_64-unknown-linux-gnu
Thread model: posix
InstalledDir: /usr/local/bin
 "/usr/local/bin/clang-15" "-cc1" "-triple" "x86_64-unknown-linux-gnu" "-emit-obj" "-mrelax-all" "--mrelax-relocations" "-disable-free" "-clear-ast-before-backend" "-main-file-name" "main.c" "-mrelocation-model" "pic" "-pic-level" "2" "-pic-is-pie" "-mframe-pointer=all" "-fmath-errno" "-ffp-contract=on" "-fno-rounding-math" "-mconstructor-aliases" "-funwind-tables=2" "-target-cpu" "x86-64" "-tune-cpu" "generic" "-mllvm" "-treat-scalable-fixed-error-as-warning" "-debugger-tuning=gdb" "-fcoverage-compilation-dir=/home/zhimin/compiler/Clang-Learning/Lexer" "-resource-dir" "/usr/local/lib/clang/15.0.7" "-internal-isystem" "/usr/local/lib/clang/15.0.7/include" "-internal-isystem" "/usr/local/include" "-internal-isystem" "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/../../../../x86_64-linux-gnu/include" "-internal-externc-isystem" "/usr/include/x86_64-linux-gnu" "-internal-externc-isystem" "/include" "-internal-externc-isystem" "/usr/include" "-fdebug-compilation-dir=/home/zhimin/compiler/Clang-Learning/Lexer" "-ferror-limit" "19" "-fgnuc-version=4.2.1" "-fcolor-diagnostics" "-faddrsig" "-D__GCC_HAVE_DWARF2_CFI_ASM=1" "-o" "/tmp/main-2715fb.o" "-x" "c" "main.c"
 "/usr/bin/ld" "-pie" "-z" "relro" "--hash-style=gnu" "--eh-frame-hdr" "-m" "elf_x86_64" "-dynamic-linker" "/lib64/ld-linux-x86-64.so.2" "-o" "a.out" "/lib/x86_64-linux-gnu/Scrt1.o" "/lib/x86_64-linux-gnu/crti.o" "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/crtbeginS.o" "-L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9" "-L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/../../../../lib64" "-L/lib/x86_64-linux-gnu" "-L/lib/../lib64" "-L/usr/lib/x86_64-linux-gnu" "-L/usr/lib/../lib64" "-L/lib" "-L/usr/lib" "/tmp/main-2715fb.o" "-lgcc" "--as-needed" "-lgcc_s" "--no-as-needed" "-lc" "-lgcc" "--as-needed" "-lgcc_s" "--no-as-needed" "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/crtendS.o" "/lib/x86_64-linux-gnu/crtn.o"

通过上述结果，编译驱动器调用实际的编译器clang -cc1将clang和llvm拼接起来实现了整个编译器（注意：ld这里还是使用GNU的，原因是llvm的链接器还没有集成进来，所以clang -cc1，将source code生成目标文件后就终止了）。

当然也可以不通过驱动器来调用clang -cc1，结果就是需要自己手动指定系统头文件的位置，通过-I 选项。

在编译驱动器中使用-Xclang <option>可以向这个工具输入具体的参数来激活clang -cc1中的某些隐藏技能。例如clang -cc1工具有一个特殊的选项，可以打印Clang抽象语法树（AST）。可以用clang -Xclang -ast-dump main.c来激活这个功能。当然也可以直接调用clang -cc1而不是驱动器：clang -cc1 -ast-dump main.c

实际的编译器：实际的编译器就是上述所说的clang -cc1，每次调用clang -cc1都是由一种主要前端Action来控制的。完整的Action集合定义在源文件clang/include/clang/FrontendOptions.h中，如下：描述了clang -cc1可能执行的不同任务：

选项 -cc1触发cc1_main函数的执行（源代码文件：clang/tools/driver/cc1_main.cpp）。例如，当通过clang hello.c -o hello间接调用-cc1时，这个函数初始化目标特定的信息，建立诊断基础设施，执行EmitObj活动。这个活动由CodeGenAction（源代码文件：clang/CodeGen/CodeGenAction.h）实现，ASTFrontendAction的一个子类。此代码实例化了所有的clang和llvm组件，指挥它们生成目标文件。

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