怎样构建一个不依赖gcc/binutils的llvm/clang Linux工具链

Cross toolchain under linux

cjacker posted @ 2014年9月17日 15:21 in 代码 , 15708 阅读

Cross compile toolchain是linux常用的一种跨架构，跨设备的开发模式，多用于嵌入式开发过程（由于目标架构的编译能力较弱，比如树莓派等），比如在x86 linux平台作arm开发，在linux下作ios开发等等。即使不作嵌入式开发，在你需要调整系统架构，调整系统基础库，裁剪系统或者在x86_64下cross x86或者反过来，或者，从无到有为一个架构移植新系统时，也总有用到cross toolchain的时候。更有甚者，如MAC OS X，其MAC native应用的开发在xcode中也是cross的方式，这里的cross不再是cross架构，而是cross sysroot，从而实现了SDK和系统Runtime物理的分离。

这篇小文主要是从原理和形式的角度来简单介绍一些cross toolchain到底是个什么构成，写这个东西不是为了解决具体问题，主要是为希望了解cross toolchain的同志们提供一个大概的view。

1，基本构成：

一条Cross toolchain开发环境，主要由以下两个部分组成：

Host cross toolchain：能够运行在host OS，可以生成目标OS代码的汇编器、链接器、编译器，常见的是gcc+binutils。我在Linux ios toolchain中使用的是clang/llvm + 从苹果开源代码移植的cctools。

target sysroot：目标系统的整体镜像，包括了开发库，头文件等等。往往表现为一个目录。host cross toolchain在编译，链接时，使用目标系统的头文件、动态库、静态库等，而不会再使用host系统的头文件等。

生成目标代码后需要在真实物理设备或者在以qemu为代表的虚拟运行环境中运行，所以，android需要一个qemu仿真环境，Xcode ios开发环境也提供了一个IOS模拟器。

注：基于clang/llvm的cross toolchain是非常简单的，如果你系统的clang/llvm编译构建时没有关闭clang/llvm的目标架构支持，那么编译器部分已经可以支持cross，只要系统提供了<tripplet>-ld, <tripplet>-ar等，那么配合target sysroot和--target=<tripplet>直接就可以cross compile。具体可以参考 https://code.google.com/p/ios-toolchain-based-on-clang-for-linux，我在wiki部分比较详细的介绍了linux ios toolchain的过程，这个toolchain也是目前最接近xcode toolchain的实现。

下面主要讲一下binutils, gcc等cross的构成。

2，第一步，汇编器和链接器，cross的binutils

binutils提供了汇编器和链接器(as和ld)以及ranlib等其他常用的二进制处理相关的工具，cross的binutils是运行在host os但能够汇编目标架构的汇编代码、并通过sysroot链接目标机器的开发库，生成目标架构的二进制码。

所以binutils是制作cross toolchain的第一步。

这里主要注意两个configure参数：

--target=<target tripplet>，比如arm可能是arm-myos-linux-gnueabihf

--sysroot=<sysroot absolute path>，指定一下sysroot将要放置的目录，可以是/opt/sysroot等。这个参数，决定了链接时ld到哪里去找动态、静态库。

--prefix可以设置成一个非标准路径，以避免跟标准路径下的系统工具冲突，比如--prefix=/opt/cross-toolchain。

这样做出来的binutils，就是可以运行在host系统并能够支持目标架构汇编代码的编译器和链接器了。其命令的名称可能是<target tripplet>-as等形式。

3，第二步，最小的cross gcc，使用cross的binutils.

gcc为了更好的支持cross toolchain的构建，已经提供了一种最小化编译安装的方式(不依赖系统headers，自包含一个简单的libc，使用的是红帽的newlib)。

这一步是为后面制作完整的cross gcc作准备，也就是我们只需要能够生成一个将C代码转换为目标架构汇编代码的C编译器即可（C++编译器都不需要）。

这里我们需要的只有gcc和libgcc。

注：cross toolchain的gcc是运行在host os的，也就是cross toolchain的gcc命令是host os的二进制代码，但是，cross toolchain中的libgcc*.a，crtbegin/end.o，却是目标架构代码的（因为它是用来编译、链接，生成目标架构二进制码的），所以这里必须使用前面构建的cross binutils.

export PATH=<cross binutils bin path>:$PATH

让编译过程能够找到前面制作的cross binutils.

几个主要的congfigure参数如下：

--without-headers --with-newlib：不使用任何系统header，使用gcc自带的newlib libc库。

--target=<target tripplet>，比如，前面我们使用的是arm-myos-linux-gnueabihf，可以确保编译过程能够找到并使用<target tripplet>-as/ld等命令。

--prefix=<cross toolchain path>，这里跟前面binutils的一样。

其他诸如--enable-languages=c,c++以及一些目标架构相关的配置参数等可以根据实际情况添加，比如树莓派可能需要添加--with-abi=aapcs-linux --with-arch=armv6zk --with-mode=arm --with-float=hard --with-fpu=vfp。

编译时使用：

make all-gcc

make install-gcc

make all-target-libgcc

make install-target-libgcc

这里生成的gcc命令，其名称是<target tripplet>-gcc。

到目前为止，实际上我们已经得到了基本的cross 编译器(gcc/g++，但是没有libstdc++-v3)、链接器和汇编器。

4，第三步，target sysroot中最基本的架构相关的头文件，kernel headers.

kernel headers并不是内核模块开发的kernel development头文件，而是kernel提供的跟架构相关的用户态头文件。

比如asm/unistd_*.h，提供的是系统调用号等，这些头文件，往往会被libc二次封装。

编译安装过程比较简单，解开内核源代码，以arm为例：

make ARCH=arm headers_check

make ARCH=arm INSTALL_HDR_PATH=/opt/sysroot/usr headers_install

将必要的头文件安装到target sysroot中/usr/include相关目录。

5，第四步，target sysroot最基本的库，C库。

C库的选择是比较多的，常见的由glibc/eglibc, uclibc, musl-libc等等。

具体的编译参数取决于你使用哪个C库，但常见的配置原则如下：

export PATH=<cross toolchain bin path>:$PATH

export CC=<target tripplet>-gcc

export LD=<target tripplet>-ld

export AS=<target tripplet>-as

编译时注意：

--host=<target tripplet>

--target=<target tripplet>

如果是glibc，还需要--with-headers=</opt/sysroot/usr/include>.

对于musl-libc之类的轻量级C库，可能相对比较简单，只需要使用target gcc/as/ld编译即可。

configure的过程中如果需要生成临时代码探测系统特征，肯定是会失败的（因为生成的是目标架构二进制，却要在host os运行），所以，往往要通过一些预制的参数或者config.sub的使用来避免这种动态探测。

编译后，需要将其安装到target sysroot(一般使用make install DESTDIR=/opt/sysroot)。这里就是/opt/sysroot，往往会在/opt/sysroot/lib目录安装loader(常见的ld-linux.so.x等)，会在/opt/sysroot/usr/include安装C库头文件。

特别注意，这里生成的C库的二进制是目标架构的二进制，而不是host OS的二进制。

6，第五步，完整的cross gcc，支持sysroot的使用。

这一步的构建过程，跟第二步最小的cross gcc类似，主要需要注意以下几点：

6.1，添加--with-sysroot=/opt/sysroot，使用sysroot中的c库和头文件。

6.2，去掉--without-headers --with-newlib，不再使用gcc自带的newlib。

6.3，添加目标代码需要的各种补丁.

6.4，--prefix仍然指定为/opt/cross-toolchain

6.5， --host=<host tripplet> --target=<target tripplet>，也就是仍然用本地gcc构建cross toolchain的<target tripplet>-gcc。

编译，安装。(必要时，可能需要在编译过程中作make install-gcc; make install-target-libgcc; make install-target-libstdc++-v3)

至此，我们得到了：

1，完整的cross toolchian，包括支持sysroot的binutils，gcc等

2，基本的target sysroot，包括kernel headers和C库。

7，第六步，使用最终的cross toolchain，构建内核镜像，基础utils等，直到完成一个可以self boot的sysroot。

目前的target sysroot只包含了kernel headers和基础C库，距离一个可以self boot的基础可运行环境还相去甚远。

至少需要添加内核镜像，busybox或者其他基础工具和shell，并构造initscripts等，直到可以自举为止。

添加必要组件后，即可将target sysroot导入到目标机器存储，从目标机器直接启动系统。

8，如果是从无到有的制作新架构的booting系统，且目标架构具备足够的运算能力，如龙芯，ppc或者较高主频的arm。

可以通过cross toolchain编译出目标架构的gcc和binutils，后续的软件编译可以在目标系统完成。

总结：

1，一个cross 开发环境，包含了运行在host os的cross toolchain和target sysroot支撑环境两个部分。

2，cross toolchain制作的核心思想是在host os上搭建出能够生成目标代码的编译器，汇编器，链接器。

3，target sysroot提供了目标系统软件开发所需要头文件和支撑库，相当于将完整的目标系统安装到了一个系统目录。

4，toolchain制作的步骤，大概是1）先有链接器、汇编器，2）再作最小的编译器，3）准备sysroot的基础头文件和C库，4）重作编译器以便于编译时可以使用target sysroot的头文件和C库。

5，弱运算能力的目标架构，一般会采用cross模式进行开发；如果目标架构的运算能力足够的强，应该将主要的工作转移到完成self boot的目标系统并为目标系统配备binutils，gcc等，直接在目标系统作编译，以避免cross 过程中出现的特征探测等编译配置问题。

6，理论上所有的开发工作都可以cross，但因为上述原因，cross用起来未必舒服，这里也是见开发商功力的地方。比如，xcode作IOS开发的集成度就比Android的SDK用起来要舒服很多，集成度，细节隐藏也要好很多，而工程统一的代码管理方式和配置方式，也不会出现为android迁移开源工程时的配置探测问题等。

顺便说一下，xcode作mac native开发也是cross 思想，目前，mac的编译器主要用的是clang，xcode将mac sdk安装到了单独的目录，编译时会通过sysroot来指定真实的系统路径。

注意：

1，autotools系列工具，也就是configure脚本类型的工程管理，--host, --target, --build参数经常在cross compile中使用，这是需要了解的内容。

2，configure过程，往往会通过临时生成一个二进制运行探测系统特征，在cross compile中，这是很大的问题，因为目标代码的二进制无法在host os运行，可以通过1）config.sub预设或者2）qemu usermode模拟的方式来运行。

3，没有目标架构的硬件，也可以通过qemu等尝试cross toolchain的练习，最后将target sysroot作成qemu镜像来运行。

4，toolchain制作过程中，注意target tripplet, toolchain路径等的统一，尽量不要出错返工。

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