CompCert编译器在macOS Apple Silicon平台上的地址引用问题解析

问题背景

在macOS Apple Silicon平台上使用CompCert编译器(版本3.14)编译NAIF spice库时，链接器遇到了一个地址引用问题。具体表现为链接阶段报错"invalid use of ADRP/imm12"或"Absolute addressing not allowed in arm64 code"，这表明编译器生成的代码中存在不符合ARM64架构规范的地址引用方式。

技术分析

ARM64架构的地址引用限制

在ARM64架构中，地址引用有严格的限制：

1. 不允许使用绝对地址寻址
2. ADRP/ADD指令组合的偏移量限制在12位
3. 全局偏移表(GOT)相关的引用有特定要求

CompCert的代码生成策略

CompCert编译器在处理符号引用时采用以下策略：

• 对当前编译单元内定义的符号使用ADRP/ADR相对引用
• 对其他符号(可能由共享库定义)使用GOT相对引用

问题根源

问题出现在Spice库代码中，该代码以非标准方式声明了标准库函数ungetc：

1. 同时使用了extern声明和"common"声明
2. 没有包含标准头文件<stdio.h>
3. 使用了大量条件编译宏(#ifdef)导致符号可见性混乱

这种非标准的声明方式干扰了CompCert编译器对符号引用方式的判断，导致生成了不符合ARM64规范的地址引用代码。

解决方案

CompCert开发团队提出了修复方案，主要改进点包括：

1. 加强符号引用方式的判断逻辑
2. 确保对标准库函数的引用始终使用正确的引用方式
3. 提高编译器对非标准代码的兼容性

技术启示

1. 标准兼容性：现代C代码应遵循C99及以上标准，避免使用过时的语法特性(如省略函数返回类型)
2. 头文件使用：应包含标准头文件而非手动声明标准库函数
3. 跨平台考虑：编写代码时应考虑不同架构的地址引用限制

结论

该问题的解决展示了CompCert编译器在保持形式化验证正确性的同时，也在不断提高对实际代码的兼容性。对于开发者而言，遵循现代C语言标准和平台规范是避免此类问题的关键。

补充说明

虽然CompCert是一个经过形式化验证的编译器，但其验证范围是"如果生成代码，则代码行为符合规范"，并不保证在所有情况下都能成功生成代码。这也是形式化验证编译器与普通编译器的一个重要区别。