CCC — Claude 的 C 语言编译器

一个完全用 Rust 从头编写的 C 语言编译器，目标架构包括 x86-64、i686、AArch64 和 RISC-V 64。该编译器没有任何特定于编译器的依赖——前端、基于 SSA 的中间表示、优化器、代码生成器、窥孔优化器、汇编器、链接器以及 DWARF 调试信息生成均是从零开始实现的。Claude 的 C 编译器无需任何外部工具链即可生成 ELF 可执行文件。

注意：除本段由人类撰写外，此仓库中 100% 的代码和文档均由 Claude Opus 4.6 编写。虽然有人类编写了测试用例并要求 Claude 通过这些测试，但并未与 Claude 进行交互式的结对编程来调试或提供代码质量方面的反馈。因此，我不建议您使用这些代码！它们尚未经过正确性验证。Claude 完全在 Linux 主机上编写了这些代码；它可能无法在 MacOS/Windows 上运行——我和 Claude 都未曾尝试过。文档可能存在错误，并做出不实声明。更多详情请参阅我们的博客文章。

前置条件

• Rust（稳定版，2021 年版）——可通过 rustup 安装
• Linux 主机——编译器的目标是生成 Linux ELF 可执行文件，并依赖于主机上已安装的 Linux 系统头文件/C 运行时库（glibc 或 musl）
• 对于交叉编译目标（ARM、RISC-V、i686），应安装相应的交叉编译 sysroot（例如，aarch64-linux-gnu-gcc、riscv64-linux-gnu-gcc）

构建

cargo build --release

这将在 target/release/ 目录下生成五个二进制文件，它们均来自同一份源代码。目标架构由运行时的二进制文件名决定：

二进制文件	目标架构
ccc	x86-64（默认）
ccc-x86	x86-64
ccc-arm	AArch64
ccc-riscv	RISC-V 64
ccc-i686	i686（32 位 x86）

快速入门

编译并运行一个简单的 C 程序：

# 编写一个测试程序
cat > hello.c << 'EOF'
#include <stdio.h>
int main(void) {
    printf("Hello from CCC!\n");
    return 0;
}
EOF

# 编译并运行（x86-64）
./target/release/ccc -o hello hello.c
./hello

# 交叉编译为 AArch64 并在 QEMU 下运行
./target/release/ccc-arm -o hello-arm hello.c
qemu-aarch64 -L /usr/aarch64-linux-gnu ./hello-arm

CCC 可以作为 GCC 的直接替代品。只需将其指向您的构建系统即可：

# 使用 make 构建项目
make CC=/path/to/ccc-x86

# 使用 CMake 构建项目
cmake -DCMAKE_C_COMPILER=/path/to/ccc-x86 ..

# 使用 configure 脚本构建项目
./configure CC=/path/to/ccc-x86

使用方法

# 编译并链接
ccc -o output input.c                # x86-64
ccc-arm -o output input.c            # AArch64
ccc-riscv -o output input.c          # RISC-V 64
ccc-i686 -o output input.c           # i686

# 与 GCC 兼容的选项
ccc -S input.c                       # 生成汇编代码
ccc -c input.c                       # 编译为目标文件
ccc -E input.c                       # 仅预处理
ccc -O2 -o output input.c            # 优化（接受 -O0 至 -O3、-Os、-Oz）
ccc -g -o output input.c             # 生成 DWARF 调试信息
ccc -DFOO=1 -Iinclude/ input.c       # 定义宏、添加包含路径
ccc -Werror -Wall input.c            # 控制警告
ccc -fPIC -shared -o lib.so lib.c    # 生成位置无关代码
ccc -x c -E -                        # 从标准输入读取

# 构建系统集成（报告为 GCC 14.2.0 以保持兼容性）
ccc -dumpmachine     # x86_64-linux-gnu / aarch64-linux-gnu / riscv64-linux-gnu / i686-linux-gnu
ccc -dumpversion     # 14

该编译器接受大多数 GCC 选项。对于未识别的选项（如特定架构的 -m 选项、未知的 -f 选项），会静默忽略，以便 ccc 可以在构建系统中作为 GCC 的直接替代品使用。

汇编器和链接器模式

默认情况下，编译器对所有四个架构都使用其内置的汇编器和链接器。无需任何外部工具链。您可以通过 --version 命令进行验证，当使用内置工具时，会显示 Backend: standalone。

若要启用可选的 GCC 备用支持（例如用于调试），可在编译时启用 Cargo 特性：

# 启用 GCC 汇编器和链接器备用
cargo build --release --features gcc_assembler,gcc_linker

# 仅针对 `-m16` 引导代码启用 GCC 备用
cargo build --release --features gcc_m16

特性	描述
gcc_assembler	使用 GCC 作为汇编器，而非内置汇编器
gcc_linker	使用 GCC 作为链接器，而非内置链接器
gcc_m16	对 -m16（16 位实模式引导代码）使用 GCC

当启用 GCC 备用特性进行编译时，--version 将显示哪些组件使用了 GCC（例如，Backend: gcc_assembler, gcc_linker）。

状态

该编译器可以构建涵盖所有四个架构的真实世界 C 代码库，包括 Linux 内核。能够成功编译并通过测试套件的项目包括 PostgreSQL（全部 237 个回归测试）、SQLite、QuickJS、zlib、Lua、libsodium、libpng、jq、libjpeg-turbo、mbedTLS、libuv、Redis、libffi、musl、TCC 和 DOOM——所有这些项目均使用完全独立的汇编器和链接器，无需任何外部工具链。此外，还有超过 150 个其他项目也成功构建，其中包括 FFmpeg（x86-64 和 AArch64 上的所有 7331 个 FATE checkasm 测试）、GNU coreutils、Busybox、CPython、QEMU 和 LuaJIT。

已知限制

• 优化级别：所有级别（-O0 至 -O3、-Os、-Oz）都运行相同的优化流水线。随着编译器的成熟，将逐步引入不同的优化层级。
• long double：x86 的 80 位扩展精度通过 x87 FPU 指令支持。在 ARM/RISC-V 上，long double 通过 compiler-rt/libgcc 的软浮点库调用实现 IEEE binary128 格式。
• 复数：_Complex 运算在某些边缘情况下会出现问题。
• GNU 扩展：部分支持 __attribute__。NEON 内建函数已部分实现（核心的 128 位操作可用）。
• 原子操作：_Atomic 被解析，但被视为基础类型（限定符不会在类型系统中被跟踪）。

测试

该编译器有两种类型的测试：

单元测试（源代码中的 #[test] 函数，用于单个阶段和模块的测试）：

cargo test --release

集成测试（tests/ 中的端到端编译测试）。每个测试都是一个目录，包含一个 main.c 源文件和预期的输出文件：

tests/
  some-test-name/
    main.c              # 要编译的 C 源文件
    expected.stdout     # 预期的标准输出（如有）
    expected.ret        # 预期的退出码（如有）
    expected.skip.arm   # 针对特定架构的跳过标记（可选）

测试过程是：使用 ccc 编译 main.c，执行生成的二进制文件，并将标准输出和退出码与预期文件进行比较。

环境变量

变量	用途
CCC_TIME_PHASES	将各编译阶段的计时信息输出到标准错误流
CCC_TIME_PASSES	将各优化遍的计时信息及变化统计数输出到标准错误流
CCC_DISABLE_PASSES	禁用特定的优化遍（用逗号分隔，或使用 all 表示全部）
CCC_KEEP_ASM	在输出文件旁保留中间的 .s 文件
CCC_ASM_DEBUG	将预处理后的汇编代码转储到 /tmp/asm_debug_<name>.s

项目结构

src/                编译器源代码（Rust）
  frontend/         C 源码 -> 类型化 AST（预处理器、词法分析器、语法分析器、语义分析）
  ir/               与目标无关的 SSA IR（下推、内存到寄存器的转换）
  passes/           SSA 优化遍（15 个优化遍 + 共享的循环分析）
  backend/          IR -> 汇编 -> 机器码 -> ELF（支持 4 种架构）
  common/           共享的类型、符号表、诊断信息
  driver/           CLI 解析、编译流水线调度

include/            打包的 C 头文件（x86 SIMD：SSE 至 AVX-512、AES-NI、FMA、SHA、BMI2；ARM NEON）
tests/              编译器测试（每个测试是一个目录，包含 main.c 和预期输出）
ideas/              未来工作提案及改进建议

src/ 下的每个子目录都有自己的 README.md，其中包含详细的设计文档。有关完整的架构、编译流水线数据流以及关键设计决策，请参阅 DESIGN_DOC.md。

CCC (Claude's C Compiler) 快速上手指南

CCC 是一个完全用 Rust 从零编写的 C 编译器，支持 x86-64、i686、AArch64 和 RISC-V 64 架构。它不依赖任何外部工具链（内置汇编器和链接器），可直接生成 ELF 可执行文件。

⚠️ 重要提示：本项目代码主要由 AI 生成，尚未经过严格的生产环境验证，可能存在正确性问题。请勿将其用于生产环境。目前仅在 Linux 主机上测试通过，不支持 macOS 或 Windows。

环境准备

在开始之前，请确保满足以下系统要求：

• 操作系统：必须使用 Linux 主机（依赖 Linux 系统头文件和 C 运行时库，如 glibc 或 musl）。
• Rust 工具链：需要安装稳定版（stable）Rust (2021 edition)。
  • 国内开发者推荐使用官方安装脚本的镜像加速方式，或直接使用 rustup：

    curl --proto '=https' --tlsv1.2 -sSf https://sh.rustup.rs | sh
    # 安装完成后重启终端或运行 source $HOME/.cargo/env
    

• 交叉编译支持（可选）：
  • 若需编译 ARM (AArch64)、RISC-V 或 32 位 (i686) 程序，需安装对应的交叉编译 sysroot（例如 aarch64-linux-gnu-gcc 或 riscv64-linux-gnu-gcc）。

安装步骤

克隆项目仓库并使用 Cargo 构建发布版本：

# 克隆仓库
git clone <repository-url>
cd claudes-c-compiler

# 构建发布版本
cargo build --release

构建完成后，可在 target/release/ 目录下找到针对不同架构的二进制文件：

二进制文件名	目标架构
ccc	x86-64 (默认)
ccc-x86	x86-64
ccc-arm	AArch64
ccc-riscv	RISC-V 64
ccc-i686	i686 (32-bit x86)

基本使用

CCC 旨在作为 GCC 的替代品，兼容大多数 GCC 命令行参数。

1. 编译并运行简单程序

创建一个测试文件 hello.c：

cat > hello.c << 'EOF'
#include <stdio.h>
int main(void) {
    printf("Hello from CCC!\n");
    return 0;
}
EOF

使用默认架构 (x86-64) 进行编译并运行：

./target/release/ccc -o hello hello.c
./hello

2. 交叉编译示例

编译为 AArch64 架构并在 QEMU 中运行：

./target/release/ccc-arm -o hello-arm hello.c
qemu-aarch64 -L /usr/aarch64-linux-gnu ./hello-arm

3. 集成到构建系统

你可以将 CCC 指定为构建系统的 C 编译器：

Make:

make CC=/path/to/ccc-x86

CMake:

cmake -DCMAKE_C_COMPILER=/path/to/ccc-x86 ..

Configure 脚本:

./configure CC=/path/to/ccc-x86

常用命令选项

CCC 支持常见的 GCC 风格标志：

ccc -S input.c             # 仅输出汇编代码
ccc -c input.c             # 编译为目标文件 (.o)
ccc -E input.c             # 仅预处理
ccc -O2 -o output input.c  # 开启优化 (-O0 到 -O3, -Os, -Oz)
ccc -g -o output input.c   # 生成 DWARF 调试信息
ccc -Wall -Werror input.c  # 警告控制
ccc -fPIC -shared -o lib.so lib.c # 生成位置无关代码 (共享库)

未识别的标志（如特定的 -m 或未知的 -f 标志）会被静默忽略，以确保与现有构建系统的兼容性。