Rust作为一门现代系统编程语言，其编译器rustc长期以来依赖LLVM作为后端代码生成工具。LLVM强大的中间代码优化与丰富的目标平台支持，使其成为Rust编译器不可或缺的组成部分。尽管如此，近年来有开发者尝试以GCC作为Rust编译器的替代代码生成器，目标是构建一个依赖GCC而非LLVM的Rust编译器版本，既能提升编译效率，又能扩大Rust编译器的适用场景。构建Rust编译器本身即是一项复杂的任务，要在保持语义一致性的基础上实现新的代码生成路径，则更是难中之难。本文将详细介绍该项目的启动背景、三阶段引导构建流程、遇到的主要技术挑战，及其背后的深层次原理和解决方法。Rust编译器的引导（Bootstrap）流程设计为三大阶段。
最初，使用基于LLVM的现有Rust编译器构建一个带有GCC代码生成器的编译器版本。接着，利用该GCC代码生成器重新构建Rust编译器自身，以确保其依赖GCC工具链而非LLVM。最后，将第二阶段产出的编译器再构建一次，作为一致性与稳定性的验证。如果第一、二阶段产生的二进制输出完全一致，那么基于GCC的Rust编译器在功能上就达到了与传统LLVM路径相当的水平。这一三阶段策略合理地将引导构建过程划分，有助于逐步排查和解决GCC代码生成中存在的bug和不兼容问题。然而，实践过程中，项目遭遇了诸多棘手的技术难点。
其重要的一环是继承LLVM代码生成的诸多隐式假设，并在GCC生态中重新表达这些机制，尤其挑战巨大。最初表现为libgccjit库产生的中间表示（IR）相关错误，如类型不匹配和非法内联行为。一个典型问题源于Rust代码中的递归函数使用#[inline(always)]属性。该属性在LLVM中被视为建议，并非强制，而GCC代码生成器则严格执行，导致要求无法满足的无限递归内联请求，进而引发构建失败。深入分析发现，LLVM的这一行为其实是一种软性优化：即使标注always inline，也并不保证对所有调用都进行展开，特别是递归场景。而GCC坚持要求所有调用均展开，无法忍受递归循环。
项目组因此针对递归函数的内联策略进行了调整。在新的方案里，所有使用#[inline(always)]的函数默认降级为普通的#[inline]，避免无条件内联。虽然这种做法牺牲了部分性能优势，却极大增强了编译器构建的稳定性。同时，为了识别更复杂的间接递归调用场景（即函数A调用函数B，B又调用A），研究人员利用Rust编译器的中间表示MIR结构，对函数调用图进行静态分析，检测是否存在嵌套的inline(always)调用链，从而动态决定是否应用降级内联策略。该方法不仅有效解决了直接递归问题，也覆盖了间接递归情况，保障了GCC代码生成的正确性。除了内联属性问题，128位整型的SwitchInt终结器实现也是重大障碍。
Rust MIR中条件跳转依赖SwitchInt机制，类似于C语言中的switch语句。由于目标切换整数可能具有128位宽度，需要在libgccjit中生成对应的128位常量。然而，现有libgccjit接口只能支持64位参数，缺乏创建128位整型常量的直观API。尝试模拟生成128位常量时，只能通过组合高低64位表达式，导致无法用于case分支判断，引发编译中断。为解决该缺陷，有人提出修改libgccjit引入直接支持128位常量生成的新函数，但由于GCC不同位宽平台支持不一，此举充满挑战。短期内项目采用了更为低效但行之有效的if-else阶梯结构，替代switch实现128位值匹配。
该方案虽显呆板，却依赖GCC的优化能力减少性能损失，保障了功能正确。另一令团队头疼的问题是构建过程中阶段二编译器的崩溃。分析核心转储定位于Rust编译器内部的intern_valtree函数，即类型驻留器的哈希表处理阶段。通过反汇编检查断点期待载入对齐的256位向量数据时，发现地址仅 16 字节对齐，未满足 AVX 指令所需的 32 字节签字段对齐，从而产生非法访问导致段错误。深入源码发现原因与Rust频繁使用的#[repr(packed(1))]属性有关，特别是对包含u128字段的ScalarInt结构体。此属性允许数据压缩但取消了默认对齐保障，导致访问时必须使用非对齐加载指令。
GCC代码生成器未正确识别该场景，错误生成了对齐加载指令。为补救，团队调整了载入类型的对齐处理逻辑，对于u128类型，确保在已针对正确对齐设置情况下避免重复调用调整函数，防止加载指令不匹配。通过该修正，编译器引导得以顺利进入第三阶段，尽管性能表现需进一步提升，内存占用仍过高，且偶有栈溢出现象待解决。整体来看，用GCC替代LLVM构建Rust编译器虽耗费巨大努力，但为Rust生态带来了多重可能。首先，此举降低了Rust对LLVM生态的依赖，意味着随着LLVM演进出现的兼容性问题将不再束缚Rust发展。其次，利用GCC成熟的优化器和跨架构支持，可为Rust拓展具有优势的平台，尤其是嵌入式和低功耗设备。
再者，该项目丰富了Rust编译器的后端设计，为未来多元化代码生成奠定基础。此次改造过程显著揭示了Rust编译器设计的复杂性和深度，包括语言特性对代码生成的隐晦需求与高级优化对产出质量的影响。对GCC libgccjit的扩展与修正，也有望推动GCC生态更加友好地支持新兴编程语言。此外，从调试手段层面来看，该项目遇到的调试困难反映了编译器引导流程本身的复杂性，如对构建环境的依赖、运行时环境复杂性，以及多层代码转换带来的可追踪性问题。未来可期望更多专门工具协助分析及追踪跨阶段编译错误。总而言之，用GCC构建Rust编译器不仅是一场技术攻坚，也是一项对编译器架构持续进化的深刻探索。
该项目通过循序渐进的重大技术突破，逐步攻克核心难题，逐渐实现了从理论走向实用的飞跃。成功构建基于GCC的Rust编译器，不仅有助于Rust社区实现技术多样化，也为系统编程语言生态注入新的活力。期待未来会有更多关于此项工作的分享，包括ABI兼容性调整、ARM平台上的移植细节、整合自动化模糊测试技术及基于GCC的代码生成性能优化等。持续关注该项目，将能见证Rust编译器引导策略的重大革新和生态格局的进一步完善。
