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Colección de compiladores GNU

La Colección de compiladores GNU ( GCC ) es una colección de compiladores del Proyecto GNU que soportan varios lenguajes de programación , arquitecturas de hardware y sistemas operativos . La Free Software Foundation (FSF) distribuye GCC como software libre bajo la Licencia Pública General GNU (GPL). GCC es un componente clave de la cadena de herramientas GNU que se utiliza para la mayoría de los proyectos relacionados con GNU y el núcleo Linux . Con aproximadamente 15 millones de líneas de código en 2019, GCC es uno de los programas libres más grandes que existen. [4] Ha jugado un papel importante en el crecimiento del software libre , como herramienta y como ejemplo.

Cuando Richard Stallman lo lanzó por primera vez en 1987 , GCC 1.0 se denominó compilador GNU C , ya que solo manejaba el lenguaje de programación C. [1] Se amplió para compilar C++ en diciembre de ese año. Posteriormente se desarrollaron interfaces para Objective-C , Objective-C++ , Fortran , Ada , D , Go y Rust , [6] entre otros. [7] Las especificaciones OpenMP y OpenACC también son compatibles con los compiladores C y C++. [8] [9]

GCC se ha adaptado a más plataformas y arquitecturas de conjuntos de instrucciones que cualquier otro compilador, y se utiliza ampliamente como herramienta en el desarrollo de software libre y propietario . GCC también está disponible para muchos sistemas integrados , incluidos chips basados ​​en ARM y Power ISA .

Además de ser el compilador oficial del sistema operativo GNU , GCC ha sido adoptado como compilador estándar por muchos otros sistemas operativos informáticos modernos similares a Unix , incluidas la mayoría de las distribuciones de Linux . La mayoría de los sistemas operativos de la familia BSD también cambiaron a GCC poco después de su lanzamiento, aunque desde entonces, FreeBSD y Apple macOS se han mudado al compilador Clang , [10] en gran parte debido a razones de licencia. [11] [12] [13] GCC también puede compilar código para Windows , Android , iOS , Solaris , HP-UX , AIX y DOS . [14]

Historia

A finales de 1983, en un esfuerzo por arrancar el sistema operativo GNU , Richard Stallman le pidió permiso a Andrew S. Tanenbaum , el autor del Amsterdam Compiler Kit (también conocido como Free University Compiler Kit ) para usar ese software para GNU. Cuando Tanenbaum le informó que el compilador no era libre, y que solo la universidad lo era, Stallman decidió trabajar en un compilador diferente. [15] Su plan inicial era reescribir un compilador existente del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de Pastel a C con algo de ayuda de Len Tower y otros. [16] [17] Stallman escribió una nueva interfaz de C para el compilador Livermore, pero luego se dio cuenta de que requería megabytes de espacio de pila, una imposibilidad en un sistema Unix 68000 con solo 64 KB, y concluyó que tendría que escribir un nuevo compilador desde cero. [16] Ninguno de los códigos del compilador Pastel terminó en GCC, aunque Stallman sí utilizó el frontend C que había escrito. [16] [18]

GCC fue lanzado por primera vez el 22 de marzo de 1987, disponible por FTP desde el MIT . [19] Stallman fue listado como el autor pero citó a otros por sus contribuciones, incluyendo Tower por "partes del analizador, generador RTL, definiciones RTL y de la descripción de la máquina Vax", Jack Davidson y Christopher W. Fraser por la idea de usar RTL como lenguaje intermedio, y Paul Rubin por escribir la mayor parte del preprocesador. [20] Descrito como el "primer éxito del software libre" por Peter H. Salus , el compilador GNU llegó justo en el momento en que Sun Microsystems estaba separando sus herramientas de desarrollo de su sistema operativo , vendiéndolas por separado a un precio combinado más alto que el paquete anterior, lo que llevó a muchos de los usuarios de Sun a comprar o descargar GCC en lugar de las herramientas del proveedor. [21] Mientras que Stallman consideraba a GNU Emacs como su proyecto principal, para 1990 GCC soportaba trece arquitecturas de computadora, superaba a varios compiladores de proveedores y era utilizado comercialmente por varias compañías. [22]

Horquilla EGCS

Como GCC tenía licencia GPL, los programadores que querían trabajar en otras direcciones (en particular aquellos que escribían interfaces para lenguajes distintos de C) tenían libertad para desarrollar su propia versión del compilador, siempre que cumplieran con los términos de la GPL, incluidos sus requisitos para distribuir el código fuente . Sin embargo, la existencia de múltiples versiones resultó ineficiente y difícil de manejar, y la dificultad para conseguir que el proyecto oficial GCC aceptara el trabajo fue muy frustrante para muchos, ya que el proyecto favorecía la estabilidad por sobre las nuevas características. [23] La FSF mantuvo un control tan estricto sobre lo que se añadía a la versión oficial de GCC 2.x (desarrollada desde 1992) que GCC se utilizó como un ejemplo del modelo de desarrollo de "catedral" en el ensayo de Eric S. Raymond The Cathedral and the Bazaar .

En 1997, un grupo de desarrolladores formó el Sistema de compilación GNU experimental/mejorado (EGCS) para fusionar varias bifurcaciones experimentales en un único proyecto. [23] [18] La base de la fusión fue una instantánea de desarrollo de GCC (tomada alrededor de la versión 2.7.2 y seguida posteriormente hasta la versión 2.8.1). Las fusiones incluyeron g77 (Fortran), PGCC ( GCC optimizado para Pentium P5 ), [18] muchas mejoras de C++ y muchas nuevas arquitecturas y variantes de sistemas operativos . [24]

Aunque ambos proyectos siguieron de cerca los cambios del otro, el desarrollo de EGCS resultó considerablemente más vigoroso, tanto que la FSF detuvo oficialmente el desarrollo de su compilador GCC 2.x, bendijo a EGCS como la versión oficial de GCC y designó al proyecto EGCS como los mantenedores de GCC en abril de 1999. Con el lanzamiento de GCC 2.95 en julio de 1999, los dos proyectos volvieron a unirse. [25] [18] Desde entonces, GCC ha sido mantenido por un grupo variado de programadores de todo el mundo bajo la dirección de un comité directivo. [26]

GCC 3 (2002) eliminó una interfaz para CHILL debido a la falta de mantenimiento. [27]

Antes de la versión 4.0, la interfaz Fortran era g77, que solo soportaba FORTRAN 77 , pero luego se abandonó en favor de la nueva interfaz GNU Fortran que soporta Fortran 95 y grandes partes de Fortran 2003 y Fortran 2008 también. [28] [29]

A partir de la versión 4.8, GCC se implementa en C++. [30]

Cilk Plus contó con apoyo desde GCC 5 hasta GCC 7. [31] [32]

GCC ha sido adaptado a una amplia variedad de arquitecturas de conjuntos de instrucciones y se utiliza ampliamente como herramienta en el desarrollo de software libre y propietario . GCC también está disponible para muchos sistemas integrados , incluidos Symbian (llamado gcce ), [33] chips basados ​​en ARM y Power ISA . [34] El compilador puede apuntar a una amplia variedad de plataformas, incluidas consolas de videojuegos como PlayStation 2 , [35] Cell SPE de PlayStation 3, [36] y Dreamcast . [37] Se ha adaptado a más tipos de procesadores y sistemas operativos que cualquier otro compilador. [38] [ ¿ Fuente autopublicada? ] [ Se necesita una mejor fuente ]

Idiomas soportados

A partir de la versión 13.1, GCC incluye interfaces para los lenguajes de programación C ( gcc), C++ ( g++), Objective-C y Objective-C++ , Fortran ( gfortran), Ada ( GNAT ), Go ( gccgo), D ( gdc, desde 9.1), [39] [40] y Modula-2 ( gm2, desde 13.1) [41] [42] , [43] con las extensiones de lenguaje paralelo OpenMP y OpenACC siendo compatibles desde GCC 5.1. [9] [44] Las versiones anteriores a GCC 7 también soportaban Java ( gcj), lo que permitía la compilación de Java a código de máquina nativo. [45]

En cuanto al soporte de versiones de lenguaje para C++ y C, desde GCC 11.1 el objetivo predeterminado es gnu++17 , un superconjunto de C++17 , y gnu11 , un superconjunto de C11 , con soporte estándar estricto también disponible. GCC también proporciona soporte experimental para C++20 y C++23 . [46]

Existen interfaces de terceros para muchos lenguajes, como Pascal ( gpc), Modula-3 y VHDL ( GHDL). [43] Existen algunas ramas experimentales para soportar lenguajes adicionales, como el compilador GCC UPC para Unified Parallel C [47] o Rust . [48] [49] [50] [ se necesita una mejor fuente ]

Diseño

Descripción general del proceso de compilación extendido de GCC, que incluye programas especializados como el preprocesador , el ensamblador y el enlazador .
GCC sigue la arquitectura de tres etapas típica de los compiladores multilenguaje y multiCPU . Todos los árboles de programa se convierten en una representación abstracta común en el "extremo medio", lo que permite que la optimización del código y las funciones de generación de código binario sean compartidas por todos los lenguajes.

La interfaz externa de GCC sigue las convenciones de Unix . Los usuarios invocan un programa controlador específico del lenguaje ( gccpara C, g++para C++, etc.), que interpreta los argumentos del comando , llama al compilador real, ejecuta el ensamblador en la salida y, luego, opcionalmente, ejecuta el enlazador para producir un binario ejecutable completo.

Cada uno de los compiladores de lenguaje es un programa independiente que lee el código fuente y genera código de máquina . Todos tienen una estructura interna común. Un front-end por lenguaje analiza el código fuente en ese lenguaje y produce un árbol de sintaxis abstracta ("árbol" para abreviar).

Estos, si es necesario, se convierten a la representación de entrada del extremo medio, llamada forma GENÉRICA ; luego, el extremo medio transforma gradualmente el programa hacia su forma final. Se aplican al código optimizaciones del compilador y técnicas de análisis de código estático (como FORTIFY_SOURCE, [51] una directiva del compilador que intenta descubrir algunos desbordamientos de búfer ). Estas funcionan en múltiples representaciones, principalmente la representación GIMPLE independiente de la arquitectura y la representación RTL dependiente de la arquitectura. Finalmente, se produce el código de máquina utilizando la coincidencia de patrones específica de la arquitectura basada originalmente en un algoritmo de Jack Davidson y Chris Fraser.

GCC fue escrito principalmente en C, excepto partes del front-end de Ada . La distribución incluye las bibliotecas estándar para Ada y C++, cuyo código está escrito principalmente en esos lenguajes. [52] [ necesita actualización ] En algunas plataformas, la distribución también incluye una biblioteca de tiempo de ejecución de bajo nivel, libgcc , escrita en una combinación de C independiente de la máquina y código de máquina específico del procesador , diseñada principalmente para manejar operaciones aritméticas que el procesador de destino no puede realizar directamente. [53]

GCC utiliza muchas herramientas adicionales en su compilación, muchas de las cuales están instaladas por defecto en muchas distribuciones Unix y Linux (pero que, normalmente, no están presentes en las instalaciones de Windows), incluyendo Perl , [ se necesita más explicación ] Flex , Bison y otras herramientas comunes. Además, actualmente requiere la presencia de tres bibliotecas adicionales para poder compilar: GMP , MPC y MPFR . [54]

En mayo de 2010, el comité directivo de GCC decidió permitir el uso de un compilador de C++ para compilar GCC. [55] El compilador estaba pensado para ser escrito principalmente en C más un subconjunto de características de C++. En particular, esto se decidió para que los desarrolladores de GCC pudieran usar los destructores y las características genéricas de C++. [56]

En agosto de 2012, el comité directivo de GCC anunció que GCC ahora utiliza C++ como su lenguaje de implementación. [57] Esto significa que para construir GCC a partir de fuentes, se requiere un compilador de C++ que entienda el estándar ISO/IEC C++03 .

El 18 de mayo de 2020, GCC pasó del estándar ISO/IEC C++03 al estándar ISO/IEC C++11 (es decir, necesario para compilar, arrancar, el compilador en sí; sin embargo, de forma predeterminada compila versiones posteriores de C++). [58]

Partes delanteras

Los front-ends consisten en preprocesamiento , análisis léxico , análisis sintáctico (parsing) y análisis semántico. Los objetivos de los front-ends del compilador son aceptar o rechazar programas candidatos según la gramática y la semántica del lenguaje, identificar errores y manejar representaciones válidas de programas para etapas posteriores del compilador . Este ejemplo muestra los pasos del analizador léxico y del analizador que se realizan para un programa simple escrito en C.

Cada interfaz utiliza un analizador sintáctico para producir el árbol de sintaxis abstracto de un archivo fuente determinado . Debido a la abstracción del árbol de sintaxis, los archivos fuente de cualquiera de los diferentes lenguajes admitidos pueden ser procesados ​​por el mismo back end . GCC comenzó utilizando analizadores LALR generados con Bison , pero gradualmente cambió a analizadores de descenso recursivo escritos a mano para C++ en 2004, [59] y para C y Objective-C en 2006. [60] A partir de 2021, todos los front ends utilizan analizadores de descenso recursivo escritos a mano.

Hasta GCC 4.0 la representación en forma de árbol del programa no era totalmente independiente del procesador al que se dirigía. El significado de un árbol era algo diferente para los distintos front-ends de lenguaje, y los front-ends podían proporcionar sus propios códigos de árbol. Esto se simplificó con la introducción de GENERIC y GIMPLE, dos nuevas formas de árboles independientes del lenguaje que se introdujeron con la llegada de GCC 4.0. GENERIC es más complejo, basado en la representación intermedia del front-end de Java de GCC 3.x. GIMPLE es un GENERIC simplificado, en el que varias construcciones se reducen a múltiples instrucciones GIMPLE. Los front-ends de C , C++ y Java producen GENERIC directamente en el front-end. Otros front-ends, en cambio, tienen diferentes representaciones intermedias después de analizarlas y convertirlas a GENERIC.

En cualquier caso, el llamado "gimplificador" convierte esta forma más compleja en la forma más simple GIMPLE basada en SSA , que es el lenguaje común para una gran cantidad de optimizaciones globales (alcance de función) independientes del lenguaje y de la arquitectura.

GENERIC y GIMPLE

GENERIC es un lenguaje de representación intermedio que se utiliza como "extremo intermedio" durante la compilación del código fuente en binarios ejecutables . Un subconjunto, llamado GIMPLE , es el objetivo de todos los front-ends de GCC.

La etapa intermedia de GCC realiza todo el análisis y la optimización del código , trabajando independientemente tanto del lenguaje compilado como de la arquitectura de destino, comenzando desde la representación GENÉRICA [61] y expandiéndola al lenguaje de transferencia de registros (RTL). La representación GENÉRICA contiene solo el subconjunto de las construcciones de programación imperativa optimizadas por el extremo intermedio.

Al transformar el código fuente a GIMPLE, [62] las expresiones complejas se dividen en un código de tres direcciones utilizando variables temporales . Esta representación se inspiró en la representación SIMPLE propuesta en el compilador McCAT [63] por Laurie J. Hendren [64] para simplificar el análisis y la optimización de programas imperativos .

Mejoramiento

La optimización puede ocurrir durante cualquier fase de la compilación; sin embargo, la mayor parte de las optimizaciones se realizan después del análisis sintáctico y semántico del front-end y antes de la generación de código del back-end; por lo tanto, un nombre común, aunque algo contradictorio, para esta parte del compilador es el "extremo medio".

El conjunto exacto de optimizaciones de GCC varía de una versión a otra a medida que se desarrolla, pero incluye los algoritmos estándar, como la optimización de bucles , el enhebrado de saltos , la eliminación de subexpresiones comunes , la programación de instrucciones , etc. Las optimizaciones RTL son de menor importancia con la adición de optimizaciones globales basadas en SSA en árboles GIMPLE , [65] ya que las optimizaciones RTL tienen un alcance mucho más limitado y tienen menos información de alto nivel.

Algunas de estas optimizaciones realizadas en este nivel incluyen la eliminación de código muerto , la eliminación de redundancia parcial , la numeración de valores globales , la propagación de constantes condicionales dispersas y el reemplazo escalar de agregados. También se realizan optimizaciones basadas en dependencia de matrices, como la vectorización automática y la paralelización automática . También es posible la optimización guiada por perfiles . [66]

Biblioteca estándar de C++ (libstdc++)

El proyecto GCC incluye una implementación de la biblioteca estándar de C++ llamada libstdc++, [67] licenciada bajo la licencia GPLv3 con una excepción para vincular aplicaciones que no sean GPL cuando las fuentes se construyen con GCC. [68]

Otras características

Algunas características de GCC incluyen:

Optimización del tiempo de enlace
La optimización en tiempo de enlace optimiza los límites de los archivos de objetos para mejorar directamente el binario vinculado. La optimización en tiempo de enlace se basa en un archivo intermedio que contiene la serialización de alguna representación de Gimple incluida en el archivo de objetos. [ cita requerida ] El archivo se genera junto con el archivo de objetos durante la compilación de la fuente. Cada compilación de la fuente genera un archivo de objetos independiente y un archivo auxiliar en tiempo de enlace. Cuando los archivos de objetos están vinculados, el compilador se ejecuta nuevamente y utiliza los archivos auxiliares para optimizar el código en los archivos de objetos compilados por separado.
Complementos
Los complementos extienden el compilador GCC directamente. [69] Los complementos permiten que un compilador estándar se adapte a necesidades específicas mediante código externo cargado como complementos. Por ejemplo, los complementos pueden agregar, reemplazar o incluso eliminar pases intermedios que operan en representaciones de Gimple . [70] Ya se han publicado varios complementos de GCC, en particular:
  • El complemento de Python que se vincula con libpython y permite invocar scripts de Python arbitrarios desde dentro del compilador. El objetivo es permitir que los complementos de GCC se escriban en Python.
  • El complemento MELT proporciona un lenguaje similar a Lisp de alto nivel para ampliar GCC. [71]
El soporte de complementos fue un tema polémico en 2007. [72]
Memoria transaccional C++
El lenguaje C++ tiene una propuesta activa para la memoria transaccional. Se puede habilitar en GCC 6 y versiones posteriores al compilar con -fgnu-tm. [8] [73]
Identificadores Unicode
Aunque el lenguaje C++ requiere compatibilidad con caracteres Unicode no ASCII en los identificadores , la característica solo se admite desde GCC 10. Al igual que con el manejo actual de literales de cadena, se supone que el archivo fuente está codificado en UTF-8 . La característica es opcional en C, pero también se ha puesto a disposición desde este cambio. [74] [75]
Extensiones C
GNU C extiende el lenguaje de programación C con varias características no estándar, incluidas funciones anidadas [76] y typeofexpresiones. [77]

Arquitecturas

GCC compilando Hello World en Windows

Las principales familias de procesadores compatibles (y mejor probadas) son ARM de 64 y 32 bits, x86_64 de 64 y 32 bits y PowerPC y SPARC de x86 y 64 bits . [78]

Las familias de procesadores de destino de GCC a partir de la versión 11.1 incluyen: [79]

Los procesadores de destino menos conocidos admitidos en la versión estándar incluyen:

Se han admitido procesadores adicionales mediante versiones de GCC que se mantienen por separado de la versión FSF:

El compilador Java GCJ puede tener como objetivo una arquitectura de lenguaje de máquina nativo o el bytecode de Java de la máquina virtual Java . [82] Cuando se redirige GCC a una nueva plataforma, a menudo se utiliza el arranque . Motorola 68000, Zilog Z80 y otros procesadores también están incluidos en las versiones GCC desarrolladas para varias calculadoras gráficas programables de Texas Instruments, Hewlett Packard, Sharp y Casio. [83]

Licencia

GCC está licenciado bajo la Licencia Pública General GNU versión 3. [84] La excepción de tiempo de ejecución de GCC permite la compilación de programas propietarios (además de software libre) con encabezados y bibliotecas de tiempo de ejecución de GCC. Esto no afecta los términos de la licencia del código fuente de GCC. [85]

Véase también

Referencias

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Lectura adicional

Enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con GCC.
Wikilibros tiene un libro sobre el tema: GNU C Compiler Internals

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