交叉编译工具链构建原理

这是与弗朗西斯科·图尔科(Francesco Turco)讨论的结果。

弗朗西斯科为初学者提供了一个很好的教程（死链，Wayback机器没有存档版本），以及一个示例，从x86_64 Debian主机为ARM目标构建工具链的分步过程。

谢谢弗朗西斯科发起这个活动！

我想要一个交叉编译器！你说的这个工具链是什么？

交叉编译器实际上是不同工具的集合，这些工具被设置为紧密地协同工作。这些工具以某种级联方式链接在一起，其中一个工具的输出成为另一个工具的输入，最终产生在机器上运行的实际二进制代码。因此，我们称这种安排为“工具链”。当工具链要为运行它的机器之外的机器生成代码时，这被称为交叉工具链。

那么，工具链中的组件是什么？

在工具链中起作用的组件首先是编译器本身。编译器将源代码（用C、C++等语言）转换成汇编代码。选择的编译器是GNU编译器集合，众所周知的gcc。

汇编程序解释汇编代码以生成目标代码。这是由二进制实用程序完成的，如GNU binutils。

一旦生成了不同的目标代码文件，它们就会聚集在一起形成最终的可执行二进制文件。这称为链接，通过使用链接器来实现。GNU binutils还附带了一个链接器。

到目前为止，我们得到了一个完整的工具链，能够将源代码转化为实际的可执行代码。根据目标上运行的操作系统，我们还需要C库。C库提供了一个执行基本任务的标准抽象层（例如分配内存、在终端上打印输出、管理文件访问……）。有许多C库，每个都针对不同的系统。对于Linux桌面，有glibc或eglibc甚至uClibc，对于嵌入式Linux，您可以选择eglibc或uClibc，而对于没有操作系统的系统，您可以使用newlib、dietlibc，甚至根本不使用。还有一些其他的C库，但它们没有被广泛使用，并且/或者是针对非常特殊的需求（例如，klibc是C库的一个非常小的子集，旨在构建受约束的初始ramdisks）。

在Linux下，C库需要知道内核的API，以决定存在什么特性，如果需要的话，为缺失的特性包含什么模拟。该API由内核头文件提供。注意:这是特定于Linux的（可能还有极少数其他操作系统），其他操作系统上的C库不需要内核头文件。

现在，所有这些组件是如何连接在一起的？

到目前为止，已经涵盖了所有主要组件，但它们需要按照特定的顺序构建。从我们最终要使用的编译器开始，我们可以看到依赖关系是什么。我们称该编译器为最终编译器。

• 最终的编译器需要C库来知道如何使用它，但是:
• 构建C库需要编译器

A需要B，B需要A .这是典型的先有鸡还是先有蛋的问题……这可以通过构建一个精简的编译器来解决，该编译器不需要C库，但能够构建C库。我们称之为引导、初始或核心编译器。这是新的依赖列表:

• 最终的编译器需要C库来知道如何使用它
• 构建C库需要核心编译器，但是:
• 核心编译器需要C库头文件和启动文件来知道如何使用C库

B需要C，C需要B .又是先有鸡还是先有蛋。为了解决这个问题，我们需要构建一个只安装头文件和启动文件的C库。启动文件（也称为C运行时或CRT）是gcc需要在NPTL系统上启用线程本地存储（TLS）的极少数文件。所以现在我们有:

• 最终的编译器需要C库来知道如何使用它
• 构建C库需要一个核心编译器
• 核心编译器需要C库头文件和启动文件来了解如何使用C库，但是:
• 构建启动文件需要编译器

天啊… C需要D，D又需要C。因此我们需要构建一个更简单的编译器，它不需要头文件，但需要启动文件。这个编译器也是一个引导、初始或核心编译器。为了区分两个核心编译器，我们称之为一个核心通道1（core pass 1），而前者为一个核心通道2（core pass 2）。依赖性列表变成:

• 最终的编译器需要C库来知道如何使用它
• 构建C库需要编译器
• 核心通道2编译器需要C库头文件和启动文件来了解如何使用C库
• 构建启动文件需要编译器
• 我们需要一个核心通道1编译器

正如我们前面所说的，C库也需要内核头文件。对内核头没有要求，所以在这种情况下故事结束了:

• 最终的编译器需要C库来知道如何使用它
• 构建C库需要一个核心编译器
• 核心通道2编译器需要C库头文件和启动文件来了解如何使用C库
• 构建启动文件需要编译器和内核头文件
• 我们需要一个核心通道1编译器

我们需要增加一些新的要求。当我们为目标编译代码时，我们需要汇编程序和链接程序。当然，这样的代码是从C库构建的，所以我们需要在C库启动文件之前构建binutils，以及完整的C库本身。此外，gcc中的一些代码也将转而在目标上运行。幸运的是，对binutils没有要求。因此，我们的依赖链如下:

• 最终的编译器需要C库来知道如何使用它，还需要binutils
• 构建C库需要核心通道2编译器和binutils
• 核心通道2编译器需要C库头文件和启动文件，以了解如何使用C库和binutils
• 构建启动文件需要编译器、内核头文件和binutils
• 核心通道1编译器需要binutils

依次构建组件:

1. binutils
2. 核心通道1编译器
3. 内核头文件
4. c库头文件和启动文件
5. 核心通道2编译器
6. 完整的C库
7. 最终编译器

是啊！:-）但是我们结束了吗？

事实上，不是的，仍然有缺失的依赖项。就工具本身而言，我们不需要任何其他东西。

但是gcc有一些先决条件。它依靠一些外部库来执行一些重要的任务（比如处理常数中的复数……）。构建这些库有几种选择。首先，人们可能会认为依靠Linux发行版来提供这些库。唉，直到最近，它们才被广泛使用。因此，如果发行版不是太新的话，我们很有可能必须构建这些库（我们将在下面进行构建）。受影响的库包括:

• GNU多精度算术库——GMP（GNU Multiple Precision Arithmetic Library）；
• 具有正确舍入的多精度浮点计算的C库——MPFR（Multiple-Precision Floating-point-computations with correct Rounding）；
• 复数算术的C语言库——MPC。

这些库的依赖关系如下:

1. MPC需要GMP和MPFR
2. MPFR需要GMP
3. GMP没有先决条件

因此，构建顺序变为:

1. GMP
2. MPFR
3. MPC
4. binutils
5. 核心通道1编译器
6. 内核头文件
7. C库头文件和启动文件
8. 核心通道2编译器
9. 完整的C库
10. 最终编译器

是啊！或者更多？

这足以构建一个功能工具链。所以如果你现在已经受够了，你可以到此为止。或者如果你很好奇，你可以继续阅读。

gcc还可以利用其他一些外部库。这些额外的可选库用于启用gcc中的高级功能，如循环优化（GRAPHITE）和链路时间优化（LTO, Link Time Optimisation）。如果要使用这些库，您需要另外三个库:

要启用GRAPHITE，根据GCC版本，可能需要以下一项或多项:

1. PPL, Parma多面体库；
2. ISL, 整数集库；
3. CLooG/PPL, 使用PPL后端的Chunky循环生成器；
4. CLooG, 使用ISL后端的Chunky循环生成器。

要启用LTO:-ELF对象文件访问库，libelf

这些库的依赖关系如下:

1. PPL要求GMP
2. CLooG/PPL需要GMP和PPL或ISL之一；
3. ISL没有先决条件；
4. libelf没有先决条件。

列表现在看起来像这样:

1. GMP
2. MPFR
3. MPC
4. CLooG/PPL（如果需要）
5. ISL（如果需要）
6. libelf（如果需要）
7. binutils
8. 核心通道1编译器
9. 内核头文件
10. C库头文件和启动文件
11. 核心通道2编译器
12. 完整的C库
13. 最终编译器

这个列表现在已经完成了！哇哦！或者是？

但是为什么crosstool-NG的步骤更多呢？

从理论的角度来看，已经制定的十三个步骤是必要的步骤。然而在现实中，还是有一些小的不同。crosstool-NG中的额外步骤有三个不同的原因。

第一，GNU binutils不支持某些类型的输出。用binutils生成平面二进制文件是不可能的，所以我们必须使用另一个添加了这种支持的组件: elf2flt。elf2flt还需要zlib压缩库-如果我们正在构建加拿大的或跨本地的工具链，我们可能无法使用主机的zlib。

第二，工具链的本地化需要一些主机操作系统上的附加库: gettext 和 libiconv。

第三，crosstool-NG还可以构建一些额外的调试实用程序在目标上运行。这是我们构建的地方，例如，cross-gdb、gdbserver和原生gdb（最后两个在目标上运行，第一个在工具链所在的机器上运行）。其他工具（strace、ltrace、DUMA和dmalloc）与工具链完全无关，但在开发时非常有用，因此作为好东西包含在内（它们很容易构建，所以没问题；更复杂的东西不值得包含在crosstool-NG中）。