編寫適用于模擬器的Linux代碼
在某臺(tái)計(jì)算機(jī)上模擬其他計(jì)算機(jī)的歷史已經(jīng)很長(zhǎng)，通常是為了使用遺留應(yīng)用程序，或者是為了使用更穩(wěn)定、響應(yīng)更快的OS的系統(tǒng)上運(yùn)行流行的OS而編寫的應(yīng)用程序。隨著Linux越來越流行，當(dāng)開發(fā)人員規(guī)劃將運(yùn)行于非Linux系統(tǒng)上的二進(jìn)制程序時(shí)，需要審視他們的選擇。本文將研究模擬器的功能，并將詳細(xì)地研究硬件模擬和軟件模擬的問題。
在某臺(tái)計(jì)算機(jī)上模擬其他計(jì)算機(jī)已有多年的歷史。模擬老的計(jì)算機(jī)的一個(gè)常見原因是懷舊，不過不可否認(rèn)，很多模擬器能夠非常出色地運(yùn)行多種計(jì)算機(jī)游戲。模擬其他計(jì)算機(jī)的另一個(gè)原因是為了使用只存在于某個(gè)特定平臺(tái)上的應(yīng)用程序軟件。
通常，應(yīng)用程序模擬以占據(jù)較大市場(chǎng)份額的平臺(tái)為目標(biāo)。例如，WINE 項(xiàng)目嘗試去提供一個(gè)運(yùn)行 Windows二進(jìn)制程序的途徑。
不過，近年來Linux已經(jīng)被證明是一個(gè)穩(wěn)定而且全能的操作系統(tǒng)；因而，它的市場(chǎng)份額也有所增長(zhǎng)。市場(chǎng)份額的增長(zhǎng)激起了人們對(duì)模擬Linux的興趣。本文評(píng)論了在其他系統(tǒng)上進(jìn)行Linux二進(jìn)制程序模擬的現(xiàn)狀，并著重指出為了讓人們更方便地在模擬環(huán)境中運(yùn)行他們的二進(jìn)制程序，開發(fā)人員應(yīng)該緊記的一些問題。
基本的模擬器
模擬器的思想很簡(jiǎn)單。計(jì)算機(jī)是充分可預(yù)測(cè)的。如果您想確切地了解如果給出一段特定的代碼計(jì)算機(jī)會(huì)做什么，那么通過建立這臺(tái)計(jì)算機(jī)的模型就可以得到結(jié)果。當(dāng)然，這會(huì)涉及到相當(dāng)多的開銷，但是，如果要模擬的計(jì)算機(jī)比正在進(jìn)行模擬的計(jì)算機(jī)老得多，那么模擬環(huán)境將比原來的機(jī)器更快。
有一些模擬層，比如NetBSD的Linux模擬層，只是提供某個(gè)環(huán)境的軟件部分的模擬，從 Linux 程序庫取得系統(tǒng)調(diào)用，并處理返回結(jié)果，使得看起來像是在使用 Linux內(nèi)核。其他的模擬層，比如VirtualPC，可以模擬整臺(tái)計(jì)算機(jī)，包括處理器。模擬處理器的速度會(huì)更慢，但是可以帶來更好的兼容性。
發(fā)行版本格式的模擬器
盡管本文重點(diǎn)關(guān)注的是在其他平臺(tái)上運(yùn)行Linux二進(jìn)制程序的方法，但是，經(jīng)過編譯的二進(jìn)制程序發(fā)行版本同樣占有一席之地。隨著Linux模擬環(huán)境越來越普及，Linux二進(jìn)制程序格式成為發(fā)行簡(jiǎn)單程序（不給出源代碼）的一個(gè)可行方法。Linux二進(jìn)制程序可以在多種系統(tǒng)上運(yùn)行，無可否認(rèn)，有時(shí)需要付出一些代價(jià)——以Linux二進(jìn)制程序格式作為通用發(fā)行版本格式還會(huì)遇到一些挑戰(zhàn)。
通常，模擬不足以讓您在為另一個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建的程序中運(yùn)行為某個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建的共享對(duì)象。如果您的產(chǎn)品大部分是以共享程序庫對(duì)象的形式發(fā)行的，那么這些產(chǎn)品可能不會(huì)被加載到其他平臺(tái)上。
有人認(rèn)為，使用Linux二進(jìn)制程序格式來向其他平臺(tái)發(fā)行代碼是瘋狂的。也許這很瘋狂，但它是可行的。近幾年，我的主要的Web瀏覽器就一直在模擬環(huán)境中運(yùn)行（更不用提字處理器、文檔轉(zhuǎn)換器，甚至信用卡處理軟件）。
我們樂于使用的大部分軟件應(yīng)用程序都是商用的，并且，能夠發(fā)行可以運(yùn)行在很多平臺(tái)之上的單一的二進(jìn)制程序會(huì)使商業(yè)軟件供應(yīng)商大大受益。如果有多種多樣的Linux模擬環(huán)境可用，那么Linux二進(jìn)制程序格式會(huì)表現(xiàn)為第一個(gè)真正的軟件發(fā)行版本選擇。
噢，移植源代碼是與發(fā)行有很大區(qū)別的任務(wù)；通常，移植任務(wù)更為簡(jiǎn)單。
完全硬件模擬器
完全硬件模擬器會(huì)模擬一臺(tái)完整的機(jī)器；不只是處理器，還包括機(jī)器所有其余部分。例如，被模擬的計(jì)算機(jī)可能擁有自己的鍵盤控制器和視頻卡。
完全硬件模擬常用于使用較老機(jī)器的程序。MAME街機(jī)游戲（arcade game）模擬器就是一個(gè)流行的示例，它模擬了多種老式街機(jī)游戲機(jī)的硬件。
就某些方面而言，完全硬件模擬器是進(jìn)行模擬的最簡(jiǎn)單方式。很多工作都需要構(gòu)建一個(gè)完全硬件模擬器，但是一旦您擁有這樣一個(gè)模擬器，所有的事情就都可以迎刃而解。例如，用于 Macintosh 的 VirtualPC 版本 3 開始支持 Linux。
硬件模擬可以解決使用其他方式難以解決的問題。例如，我以前有一個(gè)BIOS閃存工具，僅以用于DOS的自解壓縮的映像文件的格式發(fā)布。更糟糕的是，運(yùn)行它的機(jī)器必須在傳統(tǒng)的 ISA 軟盤控制器上安裝實(shí)際的軟盤（我的 Windows 桌面機(jī)有一個(gè) LS-120 驅(qū)動(dòng)器）。通過模擬來解決這個(gè)問題吧！我在模擬器下運(yùn)行該程序，將數(shù)據(jù)寫入已經(jīng)插入 Mac 的一個(gè) USB 軟盤驅(qū)動(dòng)器。
硬件模擬也有其不利方面。為了讓一切都能夠運(yùn)轉(zhuǎn)，需要付出很大努力。如果需要網(wǎng)絡(luò)，那么還需要很好地模擬網(wǎng)絡(luò)芯片，以使得操作系統(tǒng)可以在這個(gè)芯片上運(yùn)行。此外，模擬本身所沒有的指令的代價(jià)可能非常高昂。通常，像這樣一個(gè)系統(tǒng)可以近乎完美地運(yùn)轉(zhuǎn)，但是，與時(shí)限（timing）相關(guān)的功能可能會(huì)不可靠。
完全硬件模擬器已經(jīng)使用了很長(zhǎng)時(shí)間，最適合處理速度可能受模擬影響的遺留系統(tǒng)和代碼。
雖然如此，想要在 Macintosh 或者任何其他非 x-86 機(jī)器上運(yùn)行x86Linux二進(jìn)制程序的用戶，為了嘗試運(yùn)行程序，可能要完全依賴于某種當(dāng)前可用的x86模擬器。在類似這樣的系統(tǒng)上，大部分工具程序?qū)⑦\(yùn)行得非常好（雖然可能較慢）。要擔(dān)心的惟一一個(gè)主要顧慮是，為了提高性能，這種系統(tǒng)的用戶可能安裝較小的或者較老的 Linux 發(fā)行版本。使用 32 MB 內(nèi)存來運(yùn)行模擬機(jī)器的那些人不可能運(yùn)行最新版本的 KDE。
部分硬件模擬器
部分硬件模擬器是一個(gè)中間解決方案：它們模擬一臺(tái)計(jì)算機(jī)，但是這臺(tái)計(jì)算機(jī)只能是與它們實(shí)際上所在的計(jì)算機(jī)類型相同的計(jì)算機(jī)。由于執(zhí)行的速度與宿主機(jī)器相當(dāng)，所以類似這樣的程序可以降低模擬的成本。此類模擬器的示例包括 Serenity Virtual Station 和 VMWare。
當(dāng)您擁有用于多種操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序，而且需要同時(shí)運(yùn)行它們時(shí)，這些系統(tǒng)最為實(shí)用。類似于完全硬件模擬，這樣的系統(tǒng)將運(yùn)行一個(gè)完全的 Linux OS 環(huán)境，只要您的程序能夠適當(dāng)?shù)乜鏛inux系統(tǒng)移植，那么就沒什么問題。不過，再次聲明，Linux的移植到較老版本的可移植性將有非常有用。使用虛擬機(jī)的人們可能愿意在這樣的系統(tǒng)上運(yùn)行一個(gè)較老的、占空間較小的 Linux 版本。
軟件模擬器
在模擬世界中，軟件模擬器是最基本的。軟件模擬器不在某臺(tái)虛擬機(jī)上運(yùn)行您的應(yīng)用程序——它不通過虛擬機(jī)，而是實(shí)時(shí)地去運(yùn)行它。建立一個(gè)環(huán)境，在這個(gè)環(huán)境中，程序的代碼可以正常運(yùn)行，但是，程序訪問操作系統(tǒng)的嘗試會(huì)被通過某個(gè)模擬層來發(fā)送，這樣，這些程序就可以使用了。WINE是一個(gè)極好的示例（雖然是用于Windows），盡管它并不是一個(gè)正式的模擬器。
有一些軟件模擬器是由用戶顯式地調(diào)用，比如可用于 SCO 和 Solaris系統(tǒng)的lxrun程序。有些軟件模擬器則構(gòu)建成為UNIX內(nèi)核對(duì)加載二進(jìn)制映像的支持 —— 如果程序看起來不正確，那么，可以將它與一個(gè)可能模擬器表相對(duì)照，以查看它們是否可以運(yùn)行它。
軟件模擬器通常會(huì)帶來最好的用戶體驗(yàn)。不需要特殊的設(shè)置，不需要龐大的磁盤映像。程序只需要去運(yùn)行即可（大部分情況下）。不過，訪問系統(tǒng)調(diào)用、共享程序庫以及文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會(huì)引發(fā)許多問題，所以，接下來我們將討論它們。
系統(tǒng)調(diào)用
系統(tǒng)調(diào)用是模擬中最簡(jiǎn)單也是最困難的部分。系統(tǒng)調(diào)用具有明確定義的接口，而且，通常可以方便地檢測(cè)并處理調(diào)用機(jī)制——這是簡(jiǎn)單的部分。困難之處在于可能難以或者不可能較好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用。傳統(tǒng)上，Linux模擬中最難以處理的是clone()系統(tǒng)調(diào)用。這個(gè)調(diào)用提供了獲得簡(jiǎn)單線程的一個(gè)強(qiáng)制方法，即創(chuàng)建兩個(gè)共享許多內(nèi)容進(jìn)程，共享的內(nèi)容可以包括內(nèi)存、文件描述符、信號(hào)處理——換句話說，可以包括任何內(nèi)容和所有內(nèi)容。不幸的是，如果您的操作系統(tǒng)不具備與此完全類似的功能，那么沒有任何辦法來實(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用。
更糟糕的是，由于當(dāng)POSIX線程還沒有完善或獲得廣泛支持之前，clone()就已經(jīng)出現(xiàn)，并經(jīng)常被用作POSIX線程的替代，所以，許多程序都以多種令人興奮的、復(fù)雜的且（我必須要說）意想不到的方式來使用它。
如果您想讓人們運(yùn)行您的二進(jìn)制程序，那么嘗試讓他們不要使用針對(duì)特定操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用；最好使用標(biāo)準(zhǔn)的POSIX系統(tǒng)調(diào)用。這是軟件開發(fā)的一個(gè)良好的習(xí)慣做法。
基于內(nèi)核的模擬器可以捕捉到到達(dá)它的系統(tǒng)調(diào)用。用戶空間模擬器，比如 lxrun，會(huì)等待應(yīng)用程序嘗試進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用。由于 Linux 系統(tǒng)調(diào)用功能與 Solaris 或SCOUNIX上的系統(tǒng)調(diào)用功能不同，所以結(jié)果是發(fā)生一個(gè)代碼段錯(cuò)誤。然后，lxrun程序像一個(gè)調(diào)試器那樣糾正這個(gè)錯(cuò)誤并使系統(tǒng)調(diào)用繼續(xù)運(yùn)行——但是，實(shí)際上，它已經(jīng)截取了這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，并向底層操作系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用，而且解決了所有問題。聰明！
文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
文件系統(tǒng)的問題通常更為微妙。訪問文件系統(tǒng)極其簡(jiǎn)單。不簡(jiǎn)單的是如何找到您想要的文件。
如果您的程序在模擬環(huán)境中運(yùn)行，那么要訪問的文件系統(tǒng)可能與您開發(fā)程序時(shí)使用的文件系統(tǒng)有本質(zhì)上的不同。例如，如果您的程序使用了/proc文件系統(tǒng)（常用來獲得內(nèi)核狀態(tài)和信息），那么在較新的內(nèi)核中常見的特性在較老的系統(tǒng)中可能并不存在。
這里的開發(fā)人員比專有系統(tǒng)上的開發(fā)人員擁有巨大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)椴煌�的Linux發(fā)行版本以不同方式安排文件，所以大部分程序員都非常清楚如何避免過分依賴于文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。但是 —— 有時(shí) —— 不得不將文件名嵌入到程序之中。
許多模擬器解決這個(gè)難題所采取的一個(gè)方案是：建立一個(gè)針對(duì)文件系統(tǒng)調(diào)用的額外的解釋層。例如，在 NetBSD 的 Linux 模擬環(huán)境代碼中，首先根據(jù) /emul/linux中的文件檢查對(duì)文件的訪問，之后才對(duì)系統(tǒng)真正的root目錄中的文件進(jìn)行檢查。這就使得當(dāng)Linux二進(jìn)制程序不能使用標(biāo)準(zhǔn)文件時(shí)，系統(tǒng)可以提供“覆蓋（override）”系統(tǒng)文件的文件。
實(shí)際上，這一方法的主要用途在于程序庫和其他支持文件，不過也同樣提供了許多系統(tǒng)二進(jìn)制程序。例如，如果 Linux 二進(jìn)制程序嘗試調(diào)用 uname 來得到內(nèi)核版本，卻得到了NetBSD的版本號(hào)，這將非常令人迷惑。取而代之，它應(yīng)得到所預(yù)期的 Linux 版本號(hào)。
共享程序庫
如前所述，共享程序庫是能夠被模擬的二進(jìn)制程序找到卻不能夠被系統(tǒng)二進(jìn)制程序找到的一個(gè)非常好的例子。由于在不同的系統(tǒng)上共享程序庫的格式和 ABI 細(xì)節(jié)可能各異，所以不能隨意假定所有的系統(tǒng)都可以共享某個(gè)給定的程序庫。名稱可能沖突 —— 例如，當(dāng)前NetBSD和SUSE7.3都擁有一個(gè)名為libncurses.so.5的文件。重要的是要使用其中正確的那一個(gè)。
共享程序庫為開發(fā)人員指出了另外一個(gè)注意事項(xiàng)。了解不同的系統(tǒng)正在使用的程序庫版本很重要�，F(xiàn)在，NetBSD 的 Linux 模擬環(huán)境正在使用的是 SUSE 7.3 共享程序庫。仍然有使用9.1共享程序庫的代碼，但是它們會(huì)獲得警告，告之它們不能穩(wěn)定地進(jìn)行內(nèi)核級(jí)模擬。
模擬環(huán)境軟件包通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上市場(chǎng)的步伐。即使您覺得大部分預(yù)期用戶都應(yīng)該擁有了相當(dāng)新的Linux發(fā)行版本，但是大批模擬器還是幾乎全都有些跟不上時(shí)代。
共享程序庫還引發(fā)了另一個(gè)顧慮——不是每個(gè)系統(tǒng)都包含全部共享程序庫。模擬環(huán)境軟件包通常不會(huì)安裝所有最新的共享程序庫。而且，更麻煩的是，它們的用戶也不太可能有能力輕松地安裝所缺少的軟件包。
在這些情況下，最大限度地減少對(duì)新特性和非核心共享程序庫的依賴是一個(gè)好辦法。模擬器用戶可能會(huì)遇到這些問題。
不要誤以為使用靜態(tài)程序庫就可以保證解決這些問題。靜態(tài)程序庫可能引入其自己的新的依賴，而且不容易檢查到它們。如果靜態(tài)地鏈接了一個(gè)使用某個(gè)不可移植的系統(tǒng)調(diào)用，那么通過重寫算法來避免這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用將沒有什么用處。動(dòng)態(tài)鏈接讓您構(gòu)建的程序能夠在更大范圍內(nèi)的系統(tǒng)上運(yùn)行。
調(diào)用其他程序的程序
有一種特別的情形比任何其他情形更令人們頭疼，尤其與安裝器相關(guān)。在很多系統(tǒng)上，調(diào)用 /bin/sh 所得到的 shell 不是bash。這就意味著使用 bash 擴(kuò)展的腳本可能不能在其他系統(tǒng)上運(yùn)行。
這就陷入了模擬器中的一個(gè)特別錯(cuò)綜復(fù)雜的邏輯中。當(dāng)執(zhí)行二進(jìn)制程序時(shí)，操作系統(tǒng)可能知道的足夠多，可以核對(duì)相關(guān)的Linux二進(jìn)制程序的Linux路徑，而且它可能在那里安裝 bash 的一個(gè)副本。但是，當(dāng)您運(yùn)行一個(gè)腳本時(shí)，內(nèi)核不會(huì)將其看作是一個(gè) Linux二進(jìn)制程序；它發(fā)現(xiàn)腳本附帶有一個(gè)解釋程序路徑，當(dāng)嘗試加載解釋程序時(shí)，它將不再運(yùn)行于模擬模式之下。
可移植shell腳本技術(shù)在這里得到了應(yīng)用。當(dāng)用戶運(yùn)行被模擬的應(yīng)用程序時(shí)，這是要面對(duì)的最常見問題之一。安裝器可能會(huì)因?yàn)椴皇强梢浦驳?shell 腳本而不能運(yùn)行。
類似于標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)，只是更為標(biāo)準(zhǔn)
為了方便那些可能要在模擬環(huán)境中運(yùn)行您的程序的用戶，開發(fā)軟件時(shí)需要緊記以下事項(xiàng)，并且開發(fā)任何軟件時(shí)都應(yīng)該緊記這些事項(xiàng)：
盡可能遵循適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。
避免“專門特性”。
不要挑戰(zhàn)極限（push the envelope）。
而且，只要可以避免，就不要依賴于一個(gè)月前剛剛發(fā)布的某些東西來構(gòu)建您的代碼。因?yàn)槟菢幼鰧⒖s小您的有效的目標(biāo)市場(chǎng)。