从无到有,在 ArchLinux 上编译 x32 ABI 的 GCC, Glibc 和 Python

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首先翻译维基百科对 x32 ABI 的定义

x32 ABI (应用程序二进制接口) 是一个开发中的 Linux 项目,为 x32 ABI 编译的程序将能运行在 x86-64 指令集环境的 64 位模式下,但仅仅使用 32 位大小的指针和数据类型。这尽管限制了这个程序最多只能使用 4GB 的虚拟地址空间,但却减少了这个程序占用的内存,并且在某些情况下能使程序运行的更快。最好的测评结果来自 SPEC CPU2000 中的 181.mcf,结果显示 x32 ABI 的版本比 x86-64 的要快 32%。CPU2000 测评的整数计算部分,x32 比 x86-64 平均要快 5-8%,但有时也会慢很多;在浮点运算的速度上,x32 较 x86-64 并没有优势。

简单来说呢,就是为 x32 编译的程序,既能获得 64 位系统跑的快的优势,又只使用跟 32 位程序差不多少的内存。如果你的计算机只有 4GB 或更少的内存,但却拥有一颗强劲的 64 位 CPU 的话,那 x32 将能更大程度地榨取你硬件的潜力。(注,单进程不使用超过 4GB 内存的,理论上也可以受益于 x32,只是说如果你的笔记本已经在跑 32GB 内存了的话,那估计也不用省这一小半的内存了——再买条 32GB 的内存去吧。)

警告,x32 ABI 是一个开发中的 Linux 项目,所以碰到一些 bug 是很正常的。笔者假设你已经有一台运行着 x86_64 ArchLinux 的机器。

1. 内核

更新:自从 ArchLinux kernel 3.5.4-1 之后,x32 已经是默认开启的了,内核版本号高于 3.5.4-1 的 ArchLinux 用户请跳过本步骤。

OK,可以着手开始编译了。是的,我们要从源码开始编译,白手起家。到底多白呢,从 Linux Kernel 开始。Linux Kernel 自 3.4 开始支持 x32 ABI,只需要打开一个内核选项就可以了:

CONFIG_X86_X32=y

如果你不想按照 ArchLinux wiki 上的每一步来自己配置编译你的内核的话,最简单的办法就是使用笔者提供的 AUR 包(已删除)——基于 ArchLinux 官方内核的 x32 版本。所以呢,如果你已经安装了 yaourt,那么执行下面的命令就够了:

yaourt -S linux-x32

编译内核花 1 个小时以上很正常。安装好之后,你可以修改你的系统引导文件(/boot/grub/menu.lst 或者其他引导配置文件),重启进入新装的内核。

2. 种子

更新:编译好的二进制包已经上传至 ArchLinux 中文社区软件仓库,如果你想马上拥有支持 x32 的编译器的话,可以直接从那里安装,跳过步骤 2、3、4。

因为 x32 的 GCC 和 Glibc 有鸡生蛋蛋生鸡的问题,所以我们在编译正式的 x32 GCC 和 Glibc 之前呢,需要先下两个种子。

第一个其实是一个缺失的头文件,最终的 x32 Glibc 将会包含这个头文件,但是在目前需要先用到它的情况下,我们可以暂时做一个软链接

sudo ln -s /usr/include/gnu/stubs-64.h /usr/include/gnu/stubs-x32.h

同样地,笔者已经为这个软链接做好了一个 AUR 包,如果你是用的是 ArchLinux,那么你没有必要手动创建这个软链接(还得记着装完两个种子之后删除它)。这个 AUR 包会在安装正式的 x32 Glibc 的时候自动卸载,删除无用的软链接。安装命令如下:

yaourt -S glibc-x32-seed

第二个种子是一个临时的 GCC 编译器,其中一半是我们即将自己编译的,另一半 x32 的库我们无法自己编译(因为缺少 x32 的 Glibc),所以要先用别人编译好的。x32 ABI 需要 GCC 的版本至少为 4.7。在配置 GCC 的时候,尤其要注意添加 x32 的支持:

cd gcc-4.7.1 ./configure --with-multilib-list=m32,m64,mx32

然后 make,数分钟之后 make 会失败,因为我们还没有 x32 的 Glibc。这时候,把下好的 gcc-x32-seed.tar.bz2 解压到 gcc 文件夹下面就好了。具体的步骤可以参考这一篇文章,比较省事儿的办法仍然是继续用笔者提供的 AUR 包,自动完成下载、编译和安装:

yaourt -S gcc-x32-seed

3. Glibc

终于要开始编译正式的 x32 Glibc 了。Glibc 自 2.16 开始支持 x32 ABI,所以如果你无法使用笔者的 AUR 包的话,你需要先去下载一份 Glibc 的源码,解压之后,配置需要一下几点注意:

  1. 指定使用你的 GCC 种子编译器,且使用 x32 来编译,比如 CC="/path/to/cc -mx32 -B/path/to/gcc/libs" CXX="/path/to/g++ -mx32 -B/path/to/gcc/libs"

  2. 指定正确的环境参数:--target=x86_64-x32-linux --build=x86_64-linux --host=x86_64-x32-linux

  3. 启用多架构支持:--enable-multi-arch

  4. 指定与 ArchLinux 习惯一直的 lib 文件夹位置,在 configparms 文件中添加:slibdir=/usr/libx32

然后开始正常的编译。编译好了之后,前面做的两个种子就算圆满完成任务了,删掉他们(种子 GCC 并不影响),然后安装刚编译好的 Glibc。最后为了在 ArchLinux 中正常工作,还要做额外的几步:

  1. sudo ln -s /usr/libx32/ld-linux-x32.so.2 /usr/lib/ld-linux-x32.so.2

  2. 创建 /etc/ld.so.conf.d/libx32-glibc.conf,添加一行 x32 库的路径信息:/usr/libx32

  3. 软链接区域信息:sudo ln -s /usr/lib/locale /usr/libx32/locale

  4. 最后因为 ArchLinux 官方库的一个 bug,需要额外一个软链接:sudo ln -s /usr/lib /libx32

所有这些 x32 Glibc 的工作都包含在了笔者制作的 AUR 包中:

yaourt -S libx32-glibc

注意,安装这个包会提示与 glibc-x32-seed 冲突,只需要同意删除 seed 包就可以了。

4. GCC

胜利在望,下一步编译好正式的 x32 GCC 就算有了一个最基本的 x32 编译工具集。编译 x32 的 GCC 跟在 ArchLinux 上编译普通的 gcc-multilib 没有多大区别,只要把路径 /usr/libx32 设置正确就可以了——对了,还有 configure 的时候记着加 x32 支持:

cd gcc-4.7.1 ./configure --with-multilib-list=m32,m64,mx32 ...

照例,笔者提供的 AUR 包如下:

yaourt -S gcc-multilib-x32

装这个 AUR 包的时候,系统会提示与一大堆包冲突——没关系,同意删掉冲突的 gcc-libs gcc-libs-multilib gcc gcc-x32-seed 是安全的,因为 gcc-multilib-x32 可以支持编译 3 种架构的程序:x86、x86_64 和 x86_x32。

装好之后,是不是打算试一下 x32 的编译效果?没问题,你可以试试下面这段简单的 C 程序:

#include <stdio.h>

int main() {
    int i = 0;
    printf("Size of pointer: %d\n", (int)sizeof(&i));
    return 0;
}

针对三种不同的架构进行编译:

gcc -m32 test.c -o test_32
gcc -m64 test.c -o test_64
gcc -mx32 test.c -o test_x32

然后执行试一下:

$ ./test_32
Size of pointer: 4
$ ./test_64
Size of pointer: 8
$ ./test_x32
Size of pointer: 4

5. Python

由于 Python 依赖的库还比较多,其中一些如 OpenSSL 还需要额外的补丁才能在 x32 上编译,笔者在这里就不一一详解了,直接用 AUR 包搞定吧:

yaourt -S libx32-readline libx32-libffi libx32-ncurses libx32-expat libx32-bzip2 libx32-gdbm libx32-openssl libx32-sqlite3 libx32-zlib python2-x32

写个简单的 Python 程序试一下吧:

import time
placeholder = [None] * 1024 * 1024 * 8
time.sleep(600)

然后执行试一下:

python2 test.py &
/opt/python2-x32/bin/python2.7 test.py &

打开系统监视器,看看这两个进程的内存是不是几乎差了一半?

版本历史:
2014-2-17:Markdown 版本,增加了更新注释
2012-7-29:发布于 http://blog.chinaunix.net/uid/350516.html

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weakish · 2014年02月17日

即能获得 64 位系统跑的快的优势

s/即/ 既/

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fantix 作者 · 2014年02月17日

多谢!^_^

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