Clang中ext_vector_type和address_space __attribute__的使用

一.背景

在使用 Clang 编译可执行程序时，遇到类似下面的链接错误：

undefined reference to `atomic_add(int volatile AS4*, int)'
undefined reference to `convert_float2_rte(int __vector(2))' 

这两个错误提示表明在代码中定义的函数名和类型在编译后有特定的“符号修饰”（name mangling），即函数名称根据参数类型和使用的属性发生了变化（例如，int volatile AS4* 表示传入的指针在地址空间4中，而 int __vector(2) 表示传入的是一个包含两个整型元素的向量）。面对这种情况，我们需要了解 Clang 如何利用 attribute 对类型和函数进行修饰，从而正确地匹配和链接。

二. 关键概念详解

下面我分别讨论 attribute、ext_vector_type 和 address_space 三个关键概念。

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2.1 attribute 的作用

在 GCC 或 Clang 编译器中，attribute 是一种用来给变量、结构体、函数、类型等添加额外信息或者修饰的方式。

• 作用：告诉编译器某个对象具有特定的性质，从而可能改变编译器如何对它进行优化、检测或生成代码。
• 举例：可能用于指定对齐方式（aligned）、弱链接（weak）、打包结构体（packed）等。
• 在本例中，我们主要用到了 ext_vector_type 和 address_space 这两个属性，分别应用于向量类型和内存地址空间。

2.2 ext_vector_type 的作用

ext_vector_type 是 Clang 提供的一个扩展属性，它允许程序员定义向量类型（vector type）。

• 作用：使用此属性可以声明一个拥有固定元素个数的扩展向量数据类型。这类数据类型常用于 SIMD（单指令多数据）操作，以便在高性能计算中同时处理多个数据。例如，float2 类型可以表示两个单精度浮点数，适合并行处理。
• 如何使用：
  typedef float float2 attribute((ext_vector_type(2)));
  会告诉编译器 float2 是一个包含 2 个 float 类型数据的向量。除了 float 类型，还可以用于 int 等其他基本类型。
• 编译后的符号会包含与向量类型相关的信息，比如：convert_float2_rte(int __vector(2)) 表示该函数接受一个内置向量类型参数。

2.3 address_space 的作用

address_space 属性允许程序员将数据放置在不同的地址空间中。

• 作用：在一些应用场景（例如嵌入式系统、GPU 编程或 DSP 编程）中，不同种类的数据可能存储在不同的内存区域（或地址空间）。为了在 C 语言层面反映这种硬件特性，可以使用 address_space 属性。
• 使用方式：
  attribute((address_space(4))) int volatile * a
  表示指针 a 指向内存地址空间编号为 4 的区域。
• 优点：让编译器能够根据不同的地址空间生成恰当的代码，提高对目标硬件的适应性，并且能够做更细粒度的内存管理。
• 在链接错误中看到的符号 atomic_add(int volatile AS4*, int) 中，AS4 就代表地址空间 4，这表明该函数接收的是指向该地址空间的指针。

三.示例代码与验证

以下代码展示了如何使用ext_vector_type 和 address_space 属性定义数据类型及函数。
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cat > demo.c <<-'EOF'
typedef float float2 __attribute__((ext_vector_type(2)));
typedef int int2 __attribute__((ext_vector_type(2)));float2 convert_float2_rte(int2 __x)
{float2 ret;ret.x=__x.x;ret.y=__x.y;// 这里使用“.x”和“.y”访问向量的分量，// Clang 在使用 ext_vector_type 定义的向量类型时支持这种操作方式	return ret;
}void atomic_add( __attribute__((address_space(4))) int volatile * a, int b)
{__atomic_add_fetch(a,b,__ATOMIC_SEQ_CST);
}
EOF# 使用 clang++ 编译 demo.c，生成目标文件 demo.o：
clang++ -c demo.c# 使用 nm 和 c++filt 工具查看目标文件中的符号信息：
nm demo.o | c++filt

输出

0000000000000040 T atomic_add(int volatile AS4*, int)
0000000000000000 T convert_float2_rte(int __vector(2))

解释:

• 符号 atomic_add 的参数中显示 int volatile AS4*，AS4 表示地址空间 4。
• 符号 convert_float2_rte 的参数中显示 int __vector(2)，表明该函数接受一个带有 2 个整型元素的向量类型参数。

四. 总结

本文介绍了 Clang 中如何利用 attribute 属性来定义扩展向量类型（ext_vector_type）以及指定变量所在的地址空间（address_space）。

• attribute 是一个强大的工具，可以帮助开发者向编译器提供额外的信息，以产生更有效或更符合硬件要求的代码。
• ext_vector_type 使得定义和操作向量数据类型变得简单，这对高性能计算尤其有用。
• address_space 属性则有助于在需要处理多个内存区域的专业应用中明确变量或指针的内存位置。

通过示例代码可以看到，在实际编程过程中，正确使用这些属性可以避免链接时的符号不匹配问题，并帮助编译器生成针对特定硬件平台优化的代码。