Rust GCC back end: Why and how

Rust でのコンパイラとバックエンドの仕組み

はじめに

Rust コンパイラ（

rustc

コンパイルパス（Passes）

コンパイラは「パス」と呼ばれる複数段階で処理を行います。
各パスは独自の AST（抽象構文木）を生成し、次のパスへ渡します。Rust の簡略化例を示すと以下のようになります。

備考
パスの詳細を深く知りたい場合は、より長い解説を書きます。

フロントエンドとバックエンド

• フロントエンド

  • コード解析（パース・型チェック・借用チェッカーなど）を担当
  • AST → HIR → MIR の変換まで行う

• バックエンド

  • フロントエンドが生成した情報（AST、HIR、MIR）を取り込み、実際の機械語やアセンブリコードへ変換する
  • LLVM や GCC への API 呼び出しを通じて最適化・コード生成を行う

なぜ GCC バックエンドが必要なのか

LLVM は比較的新しく（2003 年）作られたため、古いプロセッサはサポートされていません。
例：Dreamcast のような旧世代プラットフォーム向けに Rust プログラムをビルドしたい場合、GCC バックエンドが唯一の選択肢となります。

Dreamcast 用 Rust ビルドガイド などは別途紹介しています。

gccrs

と GCC バックエンド

rustc

rustc_codegen_gcc

GCC は内部 API を公開していないため、libgccjit を利用します。

libgccjit

は AOT（Ahead‑of‑Time）コンパイルをサポートするライブラリです。

libgccjit の構成

1. gccjit-sys

   – 必要な C インターフェースを再宣言

2. gccjit

   –

   gccjit-sys

   上にラッパー API を提供

Rust で書いたコンパイラから GCC を利用する場合、これらのバインディングを使います。

Rust バックエンドの実装

Rust コンパイラは

rustc_codegen_ssa

CodegenBackend
ExtraBackendMethods
WriteBackendMethods

また、必ず次のエントリポイント関数を定義する必要があります。

#[no_mangle]
pub fn _rustc_codegen_backend() -> Box<dyn CodegenBackend> {
    /* ここにバックエンド実装を返す */
}

GCC バックエンドでの例：定数文字列生成

ConstCodegenMethods

const_str

impl<'gcc, 'tcx> ConstCodegenMethods for CodegenCx<'gcc, 'tcx> {
    /// Returns the pointer to the string and its length.
    fn const_str(&self, s: &str) -> (RValue<'gcc>, RValue<'gcc>) {
        // 1. キャッシュ取得
        let mut const_str_cache = self.const_str_cache.borrow_mut();

        // 2. 既に登録済みか確認、未登録なら作成
        let str_global = const_str_cache.get(s).copied().unwrap_or_else(|| {
            // GCC API を使って文字列リテラルを生成
            let string = self.context.new_string_literal(s);

            // シンボル名を決定し、グローバル変数として宣言
            let sym = self.generate_local_symbol_name("str");
            let global = self.declare_private_global(&sym, self.val_ty(string));

            // キャッシュに保存して返す
            const_str_cache.insert(s.to_owned(), global);
            global
        });

        // 3. 長さを取得
        let len = s.len();

        // 4. ポインタ型へキャスト（C の `*const char` に相当）
        let cs = self.const_ptrcast(
            str_global.get_address(None),
            self.type_ptr_to(self.layout_of(self.tcx.types.str_).gcc_type(self)),
        );

        // 5. (ポインタ, 長さ) を返す
        (cs, self.const_usize(len as _))
    }
}

重要ポイント

• キャッシュ：同じ文字列を複数回生成しないようにする
• 型変換：Rust の

  &str

  → C の

  *const char

  に適切にキャスト
• 長さ：C では文字列の終端は必ず 0 であるため、実際の長さを渡す

Rust バックエンドが行う追加情報・最適化

GCC（や LLVM）に渡す前に、Rust の知識を利用してコード生成時に属性を付与します。
例：参照は NULL になり得ないので

nonnull

// Rust コード
fn t(a: &i32) -> i32 { *a }

C 版（属性無し）：

int t(int *a) {
    if (!a) return -1;
    return *a;
}

LLVM/GCC に

nonnull(1)

_attribute_((nonnull(1)))
int t(int *a) {
    return *a;  // NULL チェックが不要
}

なぜチェックを残す？
Rust の型情報を活かして最適化を行い、不要な分岐を削除します。

まとめ

• Rust コンパイラはフロントエンドとバックエンドに分離されている。
• GCC バックエンド（

  rustc_codegen_gcc

  ）は、Rust の AST を GCC に渡す橋渡し役である。

• libgccjit

  を介して AOT コンパイルが可能。
• バックエンド実装ではキャッシュや型変換、属性付与などの最適化を行う。

このように、Rust のバックエンドは単なるコード生成だけでなく、コンパイラ独自の情報を活かして効率的なバイナリを作り出します。

この記事は私の猫にインスピレーションをもらって書きました。