GCC14副版本编译工具链 ​

简介 ​

为确保操作系统的稳健性，基础软件的选型策略通常倾向于采用经过时间验证、相对稳定的版本，而非最新发布版本。这一策略旨在避免版本更迭带来的潜在不稳定因素，确保在整个长期支持（LTS）周期内，系统版本保持相对稳定。因此，当前 openEuler 在 24.03 LTS 版本整个生命周期都是选择使用 GCC 12.3.1 作为基线进行开发。

这样的选择会带来如下问题。首先，许多的硬件特性需要基础 GCC 工具链的支持，选择非最新版本的 GCC 会导致新特性无法及时在新发布的操作系统上使能。另外，某些用户倾向使用最新版本的编译器使能最新特性，这些特性相较于低版本编译器会带来部分性能提升。

因此，为了使能多样算例新特性，满足不同用户对不同硬件特性支持的需求，在 openEuler 24.09 版本推出 openEuler GCC Toolset 工具链，这是一个专为 openEuler 系统设计的 GCC 多版本编译工具链，该工具链提供一个高于系统主 GCC 版本的副版本 GCC 编译工具链，为用户提供了更加灵活且高效的编译环境选择。通过使用 openEuler GCC Toolset 14 多版本编译工具链，用户可以轻松地在不同版本的 GCC 之间进行切换，以便充分利用新硬件特性，同时享受到 GCC 最新优化所带来的性能提升。同时为了更好的保证使用兼容性，多版本GCC中将新增的GLIBCXX符号抽取为静态库形式，同原始的动态库与应用一起进行链接，从而增强多版本GCC构建出的应用在不同环境下的使用兼容性。

方案设计 ​

编译工具链功能介绍 ​

GCC 编译工具链是一套由 GNU 开发和维护的开源编译器集合，它是用于将高级语言代码转换为机器语言的工具集，GCC 编译工具链不仅包括GCC编译器本身，还包含一系列辅助工具和库，这些组件共同构成了一个完整的编译环境。

1. GCC 编译器（gcc/g++/gfrotran 等）：

   • 作用：GCC 编译器是工具链的核心，负责完成预处理和编译过程，将源代码转换成汇编代码或中间表示。对于 C++ 代码，g++ 是 GCC 的 C++ 编译器前端，除了完成编译工作外，还会自动链接 C++ 标准库。

2. Binutils 工具集：

   • 包含工具：链接器（ld）、汇编器（as）、目标文件格式查看器（readelf）、符号查看器（nm）、目标文件格式转换工具（objcopy）、反汇编工具（objdump）、尺寸查看工具（size）等。
   • 作用：这些工具在编译过程中起辅助作用，如将汇编代码转换成机器码（汇编器）、将多个目标文件链接成可执行文件（链接器）、查看目标文件或可执行文件的信息（readelf、nm、objdump）等。

3. glibc 库：

   • 作用：glibc 是 GNU C Library 的缩写，是 GNU 组织为 GNU 系统以及 Linux 系统编写的 C 语言标准库。它包含了 C 语言中常用的标准函数，如 printf、malloc 等，是编译 C 语言程序时必不可少的部分。

4. 其他辅助工具：

   • 调试器（gdb）：用于调试可执行文件，帮助开发者定位和解决程序中的错误。
   • 性能分析工具（gprof）：用于分析程序的性能，帮助开发者优化代码。

工具链选型 ​

在编译过程中，工具链中的软件组件对编译结果具有直接影响。具体而言，GCC、binutils 以及 glibc是其核心要素。glibc 作为 C 语言标准库，其选型通常与操作系统内核版本紧密绑定，不轻易进行更改。本工具链仅包含 GCC 和 binutils 两款软件来满足副版本编译需求。

openEuler GCC Toolset 工具链选型的 GCC 版本为 gcc-14.3.0。

至于 binutils，openEuler 24.09 的默认 binutils 为 2.41 版本，而最新的 GCC-14 官方推荐搭配 binutils-2.42 使用，因此本工具链的 binutils 的版本选择 binutils-2.42。

基于此考量，openEuler GCC Toolset 副版本工具链引入 gcc-14.3.0 和 binutils-2.42，此举旨在确保编译环境的稳定性和效率，同时避免不必要的复杂性，力求在保障编译结果质量的同时，优化用户的使用体验。

架构设计 ​

为区分于默认工具链安装，并防止 openEuler GCC Toolset 副版本编译工具链安装与默认编译工具链安装之间的依赖库冲突，将此工具链命名为 gcc-toolset-14，其软件包名均以前缀gcc-toolset-14-开头，后接原有工具链软件包名。同时，考虑到默认编译工具链安装路径为/usr，为避免路径重叠，特将 gcc-toolset-14 安装路径设定为/opt/openEuler/gcc-toolset-14/。为了与开源 GCC 做出区分，也便于后期合入更多 openEuler 社区特性，gcc-toolset-14-gcc 的版本设置为 14.3.1。

副版本编译工具链 gcc-toolset-14 提供的应用程序和库不会取代系统默认GCC版本，其包含的应用程序和库旨在与系统默认编译工具链版本并存，而非取代或覆盖它们，亦不会自动设为默认或首选选项。此外，为了实现低成本切换编译工具链版本，便于版本切换与管理，本方案引入 scl-utils 版本切换工具，具体使用和切换方式见下文。

动态库拆分 ​

多版本GCC中，将当前多版本GCC中比系统GCC中新增的GLIBCXX 新增的符号制作成为一个libstdc++_nonshared.a静态库，相当于把高版本GCC14的libstdc++分成了两个部分：

1. 与系统默认版本一致的动态库.so文件；
2. 高版本libstdc++库中增加的non-shared部分。

并将这两部库集成在gcc-toolset-14提供的路径为/opt/openEuler/gcc-toolset-14/root/usr/lib/gcc/aarch64-openEuler-linux/14/libstdc++.so的动态库中，该文件不是一个ELF文件，而是文本文件，对于用户可无感的链接和使用。

/* GNU ld script
   Use the shared library, but some functions are only in
   the static library, so try that secondarily.  */
OUTPUT_FORMAT(elf64-littleaarch64)
INPUT ( /usr/lib64/libstdc++.so.6 -lstdc++_nonshared )

• OUTPUT_FORMAT(elf64-littleaarch64) ：指定输出文件的格式，这里是针对基于 ARM 架构的 64 位小端字节序 ELF 格式。

• INPUT ( /usr/lib64/libstdc++.so.6 -lstdc++_nonshared )：指定了两个输入文件，其中/usr/lib64/libstdc++.so.6是上文提到的系统默认libstdc++库，与系统GCC版本有关。-lstdc++_nonshared是指链接当前目录下的libstdc++_nonshared.a静态库，这个静态库就是将多版本GCC中对比系统GCC中新增的符号制作成为的静态库。

INPUT 的作用是指示链接器在链接过程中使用指定的动态库和静态库，以解析程序中对 C++ 标准库的引用。首先尝试使用动态库，如果某些函数只在静态库中存在，则尝试使用静态库。

当使用高版本GCC编译应用时，会把两部分都链接进去，其中non-shared部分是通过静态链接的方式。当应用在只含有低版本GCC的OS上运行时，可以正确地找到libstdc++库中的符号。从而可以实现在低版本GCC上运行高版本GCC构建应用的场景，可解决跨系统构建过程中的兼容性问题。

注：在CentOS和RedHat等发行版中，也有类似的设计。

openEuler 优化特性支持 ​

gcc-toolset-14 已合入系统 GCC（gcc 12.3.1）的 openEuler 优化栈，包括反馈优化（CFGO/CSPGO、AutoBOLT，以及 AutoFDO 的 discriminator 支持与 MCF 算法内部增强）、内核反馈优化编译支持（-fkernel-pgo，使用方式见内核反馈优化特性用户指南）、结构体优化（Struct-Reorg 家族）、循环与向量化优化（-floop-crc、-fif-split、-ftree-slp-late等）、向量数学库（-fsimdmath）与 hip10a/hip10c/hip11 处理器支持。其余优化选项说明及与系统 GCC 的差异（未移植、已废弃选项）见GCC 优化特性用户指南的"工具链适用性"章节。

安装与部署 ​

软件要求 ​

• 操作系统：openEuler 24.09

硬件要求 ​

• Aarch64 / X86_64

安装方式 ​

默认 GCC 编译器 gcc-12.3.1，安装路径为 /usr。

yum install -y gcc gcc-c++

副版本编译工具链 gcc-toolset-14 安装路径为 /opt/openEuler/gcc-toolset-14/root/usr/。

yum install -y gcc-toolset-14-gcc*
yum install -y gcc-toolset-14-binutils*

使用方式 ​

本方案引入 SCL（Software Collections）工具进行不同版本编译工具链的管理。

SCL工具 ​

SCL（Software Collections）是 Linux 系统中一个非常重要的工具，它为用户提供了一种方便、安全的安装和使用应用程序及运行时环境多个版本的方式，同时避免了系统混乱。

SCL 的主要用途包括：

1. 多版本共存：允许用户在同一系统上安装和使用多个版本的软件库、工具和语言运行环境，从而满足不同应用和开发需求。
2. 避免系统冲突：通过隔离不同版本的软件，避免了新版本软件与系统原有版本之间的冲突。
3. 提升开发效率：对于开发人员来说，SCL 提供了最新的开发工具链和运行时环境，从而提升了开发效率。

版本切换方式 ​

安装 SCL：

yum install scl-utils scl-utils-build

注册 gcc-toolset-14：

## 注册 gcc-toolset-14
scl register /opt/openEuler/gcc-toolset-14/

## 取消注册 gcc-toolset-14
scl deregister gcc-toolset-14

使用 scl list-collections 显示 gcc-toolset-14 已经在 scl 中注册成功。

切换 gcc-toolset-14：

scl enable gcc-toolset-14 bash

此命令会启动一个新的 bash shell 会话，使用 gcc-toolset-14 内的工具版本，而不是系统默认版本。在新的 bash shell 会话中，无需再显式切换编译器版本和路径。 如果需要退出 gcc-toolset-14 的编译环境，输入 exit 退出 bash shell 会话，此时编译工具链的版本切换成系统默认版本。

SCL工具的本质就是自动设置不同工具版本的环境变量，具体可以参考 /opt/openEuler/gcc-toolset-14/enable 文档，gcc-toolset-14 的环境变量均在该文件中设置。若用户系统没有 SCL 工具，则可以使用以下方式进行工具链版本切换：

## 方案一：无 SCL 工具，使用脚本切换编译工具链
source /opt/openEuler/gcc-toolset-14/enable

## 方案二：有 SCL 工具，使用 SCL 工具切换编译工具链并激活运行环境
scl enable gcc-toolset-14 bash

使用约束 ​

编译场景 ​

主版本场景：正常编译使用系统默认的 gcc-12.3.1 进行构建。

副版本场景：需要使用 GCC-14 高版本特性构建相关应用，使用 SCL 工具将 bash 环境切换为 gcc-toolset-14 编译工具链的编译环境。

副版本GCC-14使用说明 ​

1. openEuler GCC Toolset 14 副版本编译工具链提供如下两种使用方式：

   1）动态链接：默认场景下会自动添加选项 -lstdc++ 进行动态链接，此时会链接系统库动态库 /usr/lib64/libstdc++.so.6 和 GCC-14 副版本提供的 libstdc++_nonshared.a 静态库，此静态库是 GCC-14 相比于 GCC-12 新增的稳定 C++ 特性； 2）静态链接：用户使用选项 -static 进行静态链接，此时会链接 GCC-14 副版本提供的 libstdc++.a 全量特性静态库，该静态库路径为 /opt/openEuler/gcc-toolset-14/root/usr/lib/gcc/aarch64-openEuler-linux/14/libstdc++.a。

2. 用户默认构建使用动态链接，会链接新增的 libstdc++_nonshared.a 静态库，该库为了保持和系统兼容性，仅对 C++ 中正式标准特性进行封装。对于 -fmodules-ts，-fmodule-header 等选项，属于 C++20 的模块特性，而该特性在 C++20 中仍属于实验性质，并未封装在 libstdc++_nonshared.a 中，若用户需要使用此类新增特性，建议直接使用静态链接的方式全量链接 GCC-14 副版本的静态库。