LLVM提议向C语言中加入模块机制

在今年11月的LLVM开发者大会上,来自Apple的Doug Gregor做了一场讲座,主题是向C语言中加入模块(Module)机制。讲座中提到:

长期以来,C的预处理器就是程序员和工具的问题之源。写得不好的头文件致使宏污染和包含顺序等问题大量存在,程序员必须不断地与之斗争。为了缓解这 些问题,开发者习惯上采用各种预处理器变通方案,比如LONG_MACRO_PREFIXES这种风格的很长的宏前缀,#include防卫语句,或是临 时使用#undef来处理库中的宏。

另一方面,工具也必须能够处理重复解析相同头文件时所面对的内在可伸缩性问题,因为即便程序员并不希望,但不同的处理环境还是可能影响头文件的解释方式。

模块试图解决这一问题,它的理念是:隔离特定库的接口,并将其一次性编译为一种高效的、序列化的表示形式,当使用该库时,可以高效地导入,从而改进程序员的体验和编译过程的伸缩性。

该提议的基本前提是,作为一种加速编译并允许复用之前解析过的头文件的手段,即使编译最简单的文件,也要避免使用预处理器来包含大量头文件。在一个 与“Hello World”同名的例子中,他强调到,一个包含64个字符的C程序经过预处理变成了11 074个字符,而一个包含81个字符的C++程序预处理后变成了1 161 033个字符。他还指出,因为包含要依赖于预处理器当时的状态,所以重新解析头文件可能让程序很脆弱(比如,如果在 #include 之前使用#define FILE “myfile.txt”,预处理器会破坏头文件,从而导致构建失败)。

他的建议是使用一个新关键字import来加载模块。不同于预处理器的文本包含方式,编译器能够理解该模块是一个固定的版本,所以只解析一次。如果多次使用相同的模块,可以使用前面解析过的同一数据结构,不需要每次都重新解析。

模块也可以嵌套,这允许导入子模块;在所给的例子中,他演示了std模块中的子模块stdio可以使用import std.stdio来包含。导入模块之后,其中的所有公开API 就都导入到客户代码中了,但非公开API是隐藏的。为了实现这种控制,模块需要声明哪些接口是公开的,哪些是非公开的,这可以利用public 关键字:

// stdio.c
export std.stdio:
public:
typedef struct {
  …
} FILE;
int printf(const char*, …) {
  … 
}

请注意,在这个例子中,仅提供实现文件就可以了,不需要头文件。export包含了模块的名字,这里就是std.stdio。public用于区分API 的公开部分与非公开部分。这可以编译为库以及带有充分元数据的函数类型和宏,供客户代码使用。

当然,这只是对未来的一个建议,并非标准。那么这种方式应如何实现呢?建议使用头文件来处理现有模块的公开API,并将模块定义为一组头文件:

// /usr/include/module.map
module std {
  module stdio { header "stdio.h" }
  module stdlib { header "stdlib.h" }
  module math { header "math.h" }
  exclude header "assert.h"
}
module ClangAST {
  umbrella "AST/AST.h"
  module * { }
} // 可以使用“import ClangAST.Decl”来导入AST/Decl.h

为便于以后生成模块(部分原因是方便Objective-C框架导出模块),“umbrella module”机制允许将一个目录下的一组头文件作为单个模块导出。

适于处理模块的编译器可以在头文件上利用单独的一遍(Pass)来构建模块,之后在随后的头文件中复用该模块的信息。(编译好的模块应采用什么格式 尚未指定,可能交由具体的编译器定义。)模块中也可以加入附加的元信息,比如说明模块运行所需的库。这允许编译器处理每个模块所需的链接标记,从而避免了 用户在链接时提供一大堆-l标记。

要使用模块,客户代码唯一需要修改的是将#include替换为等价的import。此外,因为在预处理后,模块中带有导出的函数和类型等信息,因 此能够更好地进行编译诊断;利用这些信息,编译器报错和IDE快速修复等功能也能提示所需的import,而不仅仅是直接失败。

最后,复用模块信息也允许将调试信息与模块关联起来,而非让这些信息重复出现在每个目标文件中。编译器和链接器就可以少生成一些调试信息,反过来又 加速了编译过程。模块也为调试器提供了额外的类型信息(而不是将类型信息内联到每个目标文件中),因此调试器可以报告模块中定义的正确类型。

模块提议的净效应是,它提供了一种能够兼容现有工具的迁移途径,同时,在用户无需对原有代码进行多少修改的条件下,还带来了一些优点(主要是提升了 编译速度,并改进了诊断错误消息和调试)。它也支持文件增量式升级,支持增量式地将单个预处理器指令切换为基于模块的导入机制。同时无需将编译速度测量当 做模块表示的一部分,该工作已经在LLVM实现这些模块时进行了。虽然模块机制没有考虑版本或命名空间(很大程度上是因为必须满足向后兼容性),但该机制 如果得以广泛应用的话,能够显著提升C和C++程序的编译速度。此外,向后兼容性被明确提了出来,像LLVM的块(block)规范,当需要的时候很可能 用于支持其他编译器或规范中的包含。不过,在广为使用的C和C++编译器中,LLVM编译器工具链是唯一的一个保持创新并以身作则的了。其他编译器是否会 引入这些特性,可能取决于LLVM 实现方案能否成功以及能够带来哪些益处。

查看英文原文LLVM Proposes Adding Modules to C

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