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CppToolChain.md

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C++工具链使用总结

GCC

Linux安装最新版本的GCC

通常Linux的包管理工具并不提供最新版本的GCC编译器，比如Ubuntu20.04现在这个时间（2022.7.25）的包管理中只提供GCC9.4.0。在这个版本中某些C++20的特性并没有得到支持。所以就需要自己手动安装最新本的GCC。

当前时间最新的GCC发布版是2022-05-06发布的12.1.0，以此为例：

cd gcc-12.1.0
mkdir build
cd build
../configure --enable-checking=release --enable-languages=c,c++ --disable-multilib
make && make install
  • 安装过程会使用旧版本GCC（需要支持C++11）编译新版本GCC，所以如果没有GCC需要先使用包管理工具安装。
  • 安装成功之后需要添加库路径（这里是/usr/local/lib/../lib64）到搜索路径：
    • 直接添加库路径到/etc/ld.so.conf。
    • ~/.bashrc添加环境变量export LD_LIBRARY_PATH="/usr/local/lib/../lib64"。
    • 执行程序前临时设置环境变量：export LD_LIBRARY_PATH="/usr/local/lib/../lib64"。
  • 修改原有的gcc符号链接指向新版本的GCC。
sudo ln -s /usr/local/bin/gcc /usr/bin/gcc -f
  • 原有的GCC9.4.0依然可以通过gcc-9来访问。
  • 配合WSL其实和在Windows中也没有什么区别了。

Windows中安装最新版本的GCC

Windows中使用GCC工具链有多种选择：

  • MinGW
  • MinGW-w64
  • Cygwin
  • MSYS
  • MSYS2
  • 其他

首先来一点阅读资料：

简而言之：

  • MinGW是GCC在Windows上的移植，但现在仅支持32位，且已不再更新，基本处于废弃状态。
  • 所以有了MinGW-w64，提供了最新的支持，支持了64位，所以现在都应该使用MinGW-w64而非MinGW。其编译出来的程序算是Windows原生的。
  • Cygwin作为工具链来说是在Windows中模拟了POSIX API以支持在Windows中运行Linux程序，所以可用性会更广一些。使用了POSIX API的Linux程序使用Cygwin重新编译后即可在Windows中运行。运行时需要依赖cygwin1.dll，相当于多了一个间接层。并且Cygwin并不只是工具链，而是相当于运行于Windows下的类UNIX子环境，提供了非常多UNIX环境下的工具。
  • 由于Cygwin太重了，而单纯的工具链不够用，所以有了MSYS，相当于Cygwin的简化版，提供了类UNIX环境，以MinGW为工具链，在工具链之上还提供了基本的Linux工具，没有多少扩展能力。是辅助在Windows中以MinGW作为工具链进行开发的配套软件包。
  • 由于MinGW更新缓慢且放弃支持64位，而使用MinGW的MSYS也是如此，所以有了比较新的MSYS2，fork了较新版本的Cygwin（做了修改），提供了包管理工具，工具链则使用MinGW-w64，而MSYS2提供的其他Linux工具则依然是源自于Cygwin的。

总结：

  • 现在已经不再使用MinGW和MSYS了。
  • MinGW-w64是单纯的工具链，而MSYS2做为一个类UNIX环境是配合这个工具链来用的。
  • Cygwin是一个大而全的Windows下的类UNIX子系统。
  • 使用MinGW-w64和Cygwin编译运行在UNIX上的程序都需要重新编译，而不能直接运行UNIX环境的可执行文件。
  • 想一想git for Windows是不是能够运行少量UNIX命令，其实就是因为其中包含了一套Cygwin.dll，MSYS2亦是这样，不过他们和Cygwin都互不兼容。

如何选择：

  • 如果只需要Windows上的GCC工具链编写标准C/C++程序那就选择MinGW-w64。
  • 如果还想要执行一些Linux常用工具命令，想要一个类UNIX环境，那就选择MSYS2，其使用MinGW-w64工具链且相关工具来自Cygwin。
  • 使用Cygwin都能实现上述说的事情，但是Cygwin会更重，还有间接层导致的可能的性能损失。
  • 如果要编写跨平台但是使用了POSIX API的程序，那么Cygwin就成了仅有的选择。

到底该如何选择：

  • 小孩子才做选择，为什么不全部装起来，要什么用什么呢？
  • 注意不要同时将这些环境配在环境变量中。

Windows中安装MinGW-w64

比较通常的选择是MinGW-w64：

  • 到https://github.com/niXman/mingw-builds-binaries/releases上下载最新版安装包即可。
  • 线程模型有两种选择Win32或者POSIX：
    • 见这里：What's the difference between thread_posixs and thread_win32 in gcc port of Windows?
    • 简单说就是Win32线程模型与POSIX(pthread)有很大不同，而标准C++以std::thread为代表的线程模型与pthread很接近，所以在Linux上都是使用pthread来实现标准C++线程（这也就是为什么使用了线程就需要手动链接pthread）。
    • 如果在Windows中选择POSIX线程模型，就需要使用pthread在Win32上的一致libwinpthread，因此发布时需要带上libwinpthread-1.dll之类的库。
    • 至于Win32线程模型，现在的GCC依然还没有基于Win32线程模型实现的标准C++线程。就是说选择了Win32线程模型，那么其中的标准C++就是残废的，无法用。不过可以在其中使用Win32原生的多线程API。
    • 如果要使用标准C++线程，为了可移植性，应该选择POSIX线程模型。如果要用Win32原生API写多线程程序，那我为什么不选择MSVC呢？
  • mcf线程模型：
    • 在Win32和POSIX线程模型之外，还有一个独立的GCC with the MCF thread model，也实现了标准C++线程。不过二进制兼容性会比POSIX差一些。
  • 异常模型有三种选择：dwarf、sjlj和seh
    • dwarf仅支持32位程序。
    • sjlj支持32位以及64位。
    • seh则仅支持64位程序。
    • 现在的系统一般都是64位，所以一般都选择sjlj或者seh，如果有编译32位程序的需求，那么需要sjlj。如果没有一般都是选择seh，两者ABI不兼容（也就是说同编译器同平台但不同异常模型的二进制是不兼容的）。
    • 当你的程序的各个模块使用不同的异常模型时，如果跨模块抛了异常（从一个模块的函数中抛出，被另一个模块的某个函数接住），那么程序很可能会Boom掉。
    • seh性能会比sjlj高一些。
  • 最终这两个都是可以选的：
    • x86_64-12.1.0-release-posix-seh-rt_v10-rev3
    • x86_64-12.1.0-release-posix-sjlj-rt_v10-rev3
  • 删除旧版本的path环境变量中的路径，添加新版本的bin/目录到path即可。
  • 惯例复制一份mingw32-make.exe重命名为make.exe。
  • 至此就可以用GCC在Windows上编译C++20程序了。
  • 部署程序时除了编译出来的程序和必要的数据还得带上什么东西：
    • Windows环境中默认不包含MinGW这些运行时环境，所以如果使用动态链接那么还需要带上依赖的动态库：
    • 异常：libgcc_s_sjlj.dll这样的dll。
    • 用到了线程：libwinpthread-1.dll之类的dll。
    • 如果使用mcf线程部署：如mcfgthread-9.dll。
    • libstdc++。
    • 具体还是得看是什么环境，可能还需要其他一些额外的东西，可以将程序复制到没有环境的机器中测试。
    • 更简单可靠的方法还是使用 Dependency Walker 等工具查看依赖。

Windows安装MSYS2

MinGW-w64作为工具链对于编写C++程序已经足够，但是如果要使用make，其中要使用比如rm这种工具那就非常糟心。那么MSYS2就是最好的选择了：

pacman -Ss xx #查询软件xx的信息
pacman -S xx #安装软件xx
  • 安装make：
pacman -S make
  • 安装gcc/g++（最新版本是11.3，通常不应该以这种方式安装，这是Cygwin的打开姿势）：
pacman -S gcc
pacman -S g++
  • 一键安装所有MinGW-w64工具链（看起来更应该这样做，这里的gcc就是MinGW-w64的最新版本12.1.0，这两个工具链是存在本质差别的，直接安装的gcc编译生成的文件依赖于Cygwin的转换层，而MinGW-w64是windows原生的）：
pacman -S mingw-w64-x86_64-toolchain
  • 这里装了make就不需要搞将mingw32-make.exe重命名为make.exe这种把戏了。
  • 进入MinGW-w64 Shell（或者直接找到MSYS2根目录的mingw64.exe启动）：
/mingw64.exe
  • 在MinGW-w64 Shell中才能够使用MinGW-w64的工具链（应该是类似于重新启动了一个bash，并添加了一些环境变量）。
  • MSYS2支持的原生工具链区别：
    • mingw64：GCC编译，链接到msvcrt（即msvcrt + listdc++ + GCC）。
    • ucrt64：GCC编译，链接到ucrt（即ucrt + libstdc++ + GCC）。
    • clang64：Clang编译，链接到ucrt（即ucrt + libc++ + Clang）。
    • 当然其实还有clang32，clangarm64，mingw32都比较好理解。
    • 需要安装其他工具链的话同理（其他的当前来说没有什么必要）。
    pacman -S mingw-w64-ucrt-x86_64-toolchain
pacman -S mingw-w64-clang-x86_64-toolchain
    • MSYS2的相关文档
    • 不同环境的区别在于环境变量、默认编译器链接器、架构、使用的系统变量、链接到的库等。
    • 这些环境仅仅是MSYSTEM这个系统变量的取值不同，比如mingw64 ucrt64 clang64等。
  • 通常来说一般不要直接将通过MSYS2安装的MinGW-w64工具链添加到系统变量。通过MSYS2提供的Shell来使用即可。
  • 现在可以通过开始菜单的各个快捷方式愉快地启动MinGW-w64/Clang Shell环境了：
    • MSYS2 MinGW x64
    • MSYS2 MinGW UCRT x64
    • MSYS2 MinGW Clang x64
    • MSYS2 MinGW x86

各种环境区别：

  • 编译器：GCC vs LLVM/Clang
    • C++标准库区别libstdc++ vs libc++
    • 链接器：LD vs LLD，LLD更快，LD特性更丰富
    • Clang有对TLS（Thread local Storage）的本地支持
    • Clang提供ASAN（内存分析）工具
    • Clang支持ARM64/AArch64
  • 运行时：MSVCRT vs UCRT，微软的两个不同的标准库
    • MSVCRT(Microsoft Visual C++ runtime)在所有Windows版本中可用，不兼容C99且缺失了某些特性。
    • UCRT（Universal C Runtime）是VS默认使用的新版本C运行时。和MSVC有更好的兼容性，在Win10上是默认运行时，在更早的Windows版本使用需要自行安装。

配置MSYS2到Windows Terminal：

// MSYS2 MSYS
{
    "guid": "{17da3cac-b318-431e-8a3e-7fcdefe6d114}",
    "name": "MSYS / MSYS2",
    "commandline": "C:/CppToolChain/MSYS2/msys2_shell.cmd -defterm -here -no-start -msys",
    "startingDirectory": "C:/CppToolChain/MSYS2/home/%USERNAME%",
    "icon": "C:/CppToolChain/MSYS2/msys2.ico",
    "fontFace": "Lucida Console",
    "fontSize": 12,
    "hidden": false,
    "colorScheme" : "One Half Dark"
},
// MSYS2 MinGW x64
{
    "guid": "{17da3cac-b318-431e-8a3e-7fcdefe6d115}",
    "name": "MINGW64 / MSYS2",
    "commandline": "C:/CppToolChain/MSYS2/msys2_shell.cmd -defterm -here -no-start -mingw64",
    "startingDirectory": "C:/CppToolChain/MSYS2/home/%USERNAME%",
    "icon": "C:/CppToolChain/MSYS2/mingw64.ico",
    "fontFace": "Lucida Console",
    "fontSize": 12,
    "hidden": false,
    "colorScheme" : "One Half Dark"
},
// MSYS2 MinGW UCRT x64
{
    "guid": "{17da3cac-b318-431e-8a3e-7fcdefe6d116}",
    "name": "UCRT64 / MSYS2",
    "commandline": "C:/CppToolChain/MSYS2/msys2_shell.cmd -defterm -here -no-start -ucrt64",
    "startingDirectory": "C:/CppToolChain/MSYS2/home/%USERNAME%",
    "icon": "C:/CppToolChain/MSYS2/ucrt64.ico",
    "fontFace": "Lucida Console",
    "fontSize": 12,
    "hidden": false,
    "colorScheme" : "One Half Dark"
},
// MSYS2 MinGW Clang x64
{
    "guid": "{17da3cac-b318-431e-8a3e-7fcdefe6d117}",
    "name": "Clang64 / MSYS2",
    "commandline": "C:/CppToolChain/MSYS2/msys2_shell.cmd -defterm -here -no-start -clang64",
    "startingDirectory": "C:/CppToolChain/MSYS2/home/%USERNAME%",
    "icon": "C:/CppToolChain/MSYS2/clang64.ico",
    "fontFace": "Lucida Console",
    "fontSize": 12,
    "hidden": false,
    "colorScheme" : "One Half Dark"
}
  • 集成到终端的命令：
C:/CppToolChain/MSYS2/msys2_shell.cmd -defterm -here -no-start -xxx

集成MSYS2到VsCode终端：

  • "terminal.integrated.profiles.windows"中添加：
"MinGW64 MSYS2" : {
    "path": "C:\\CppToolChain\\MSYS2\\msys2_shell.cmd",
    "args": ["-defterm", "-here", "-no-start", "-mingw64"],
    "overrideName":true
},
"UCRT64 MSYS2" : {
    "path": "C:\\CppToolChain\\MSYS2\\msys2_shell.cmd",
    "args": ["-defterm", "-here", "-no-start", "-ucrt64"],
    "overrideName":true
},
"Clang64 MSYS2" : {
    "path": "C:\\CppToolChain\\MSYS2\\msys2_shell.cmd",
    "args": ["-defterm", "-here", "-no-start", "-clang64"],
    "overrideName":true
},
  • 同样道理不再赘述。

MSYS2中必备的工具：

  • Windows中的path在MSYS2中是不可用的，所以MSYS2中安装的工具性能可能会比原生的程序低一点。
pacman -S git
pacman -S vim

MSYS2在VsCode中不添加环境变量的情况下调试，尚待研究。

Windows安装Cygwin

如果想把UNIX下的使用了POSIX API的程序移植到Windows下来却又不想重写一遍，或者想混合POSIX API以及Win32 API编程（什么逆天的想法），那么Cygwin就是你所需要的。

Todo yet!

Clang && LLVM

Todo yet!

MSVC

通常来说我们使用VS，每个人都会的东西就不需要赘述了。