干货：ARM架构代码移植实战分享

经历过2个项目的业务代码从X86服务器迁移到aarch64泰山服务器上，以前没有相关经验摸索了好久，踩了很多坑，现在迁移工作也差不多收尾了，Taishan服务器上跑比X86的溜多了。写了一篇代码迁移经验总结，欢迎大家参考。

编程语言简介

按照翻译方式的不同，高级语言通常可以分为两类：一类是编译翻译，一类是解释翻译，分别对应着编译型语言和解释型语言。

1.编译型语言

典型的如C、C++语言，都属于编译型语言，源代码到执行的过程概括如图1-1所示。C/C++编译好的程序是机器指令，由操作系统加载到存储器（一般为内存）后由CPU直接执行。

图 编译型语言执行过程

基于编译型语言开发的应用程序，例如C/C++语言应用程序，其编译后得到可执行程序，可执行程序执行时依赖的指令是CPU架构相关的。因此，基于x86架构编译的C/C++语言应用程序，无法直接在TaiShan服务器运行，需要进行移植编译，移植编译过程中遇到的问题可以参考第2、3章提供的方法解决。

2.解释型语言

典型的如Java、Python语言，都属于解释型语言，源代码到执行的过程概括如图1-2所示。Java/Python编译好的程序是平台无关的字节码，由虚拟机解释执行，虚拟机完成平台差异的屏蔽。

图 解释型语言执行过程

基于解释型语言开发的应用程序，是CPU架构不相关的，例如Java、Python，将这类应用程序移植到TaiShan服务器，无需修改和重新编译，按照与x86一致的方式部署和运行应用程序即可。

Java应用程序jar包内，可能包含基于C/C++语言开发的so库文件，这类so库需要移植编译，移植编译so库遇到的问题可以参考第2、3章提供的方法解决，使用编译得到的so库重新打包jar包。

准备工作

C/C++程序移植需要安装编译器，推荐使用gcc7.3及以上版本（最低不低于4.8.5），下载安装参考链接:

• gcc7.3版本下载地址：

  http://ftp.gnu.org/gnu/gcc/gcc-7.3.0/

• 安装步骤参考：https://gcc.gnu.org/install/

移植相关问题处理-编译脚本移植类问题

1.1 -m64编译选项

现象描述

告警信息：gcc:error: unrecognized command line option ‘-m64’

可能原因

-m64是x86 64位应用编译选项，m64选项设置int为32bits及long、指针为64 bits，为AMD的x86 64架构生成代码。在ARM64平台无法支持。

处理步骤

将ARM64平台对应的编译选项设置为-mabi=lp64。

1.2 char数据类型的符号

现象描述

告警信息：warning:comparison is always false due to limitedrange of data type

可能原因

char变量在不同CPU架构下默认符号不一致，在x86架构下为signed char，在ARM64平台为unsigned char，移植时需要指定char变量为signed char。

处理步骤

在编译选项中加入“-fsigned-char”选项，指定ARM64平台下的char为有符号数。

源码修改类问题

2.1 代码中汇编指令需要重写

现象描述

ARM的汇编语言与x86完全不同，需要重写，涉及使用嵌入汇编的代码，都需要针对ARM进行配套修改。

处理步骤

需要重新实现汇编代码段。

示例：

在x86架构下：

在ARM64平台下，使用gcc内置函数实现：

2.2 替换x86 CRC32汇编指令

现象描述

编译错误：unknownmnemonic `crc32q\' -- `crc32q (x3),x2\'或operand 1 should be an integer register -- `crc32b (x1),x0\'

或unrecognizedcommand line option ‘-msse4.2’。

可能原因

x86使用的是crc32b和crc32q汇编指令完成CRC32C校验值计算功能，而ARM64平台使用crc32cb、crc32ch、crc32cw、crc32cx 4个汇编指令完成CRC32C校验值计算功能。

处理步骤

请使用crc32cb、crc32ch、crc32cw、crc32cx取代x86的CRC32系列汇编指令，替换方法如表所示，并在编译时添加编译参数-mcpu=generic+crc。

示例：

在x86下的实现：

在ARM64平台下的实现：

2.3  替换x86 bswap汇编指令

现象描述

编译报错：Error:unknown mnemonic `bswap\' -- `bswap x3\'。

可能原因

bswap是x86的字节序反序指令，需替换为ARM64的rev指令。

处理步骤

x86指令实现的bswap如下：

替换为ARM64指令后如下：

2.4  替换x86 rep汇编指令

现象描述

编译报错：unknownmnemonic `rep` -- `rep`。

可能原因

rep为x86的重复执行指令，需替换为ARM64的rept指令。

处理步骤

替换方法如下：

替换前：

替换后：

2.5 快速移植内联SSE/SSE2应用

现象描述

部分应用采用了gcc封装的用SSE/SSE2实现的函数，但是gcc目前没有提供对应的ARM64平台版本，需要实现对应函数。

处理步骤

目前已有开源代码实现了部分ARM64平台的函数，代码下载地址：https://github.com/open-estuary/sse2neon.git

使用方法如下：

步骤 1   将下载项目中的SSE2NEON.h文件拷贝到待移植项目中。

步骤 2   在源文件中删除如下代码。

步骤 3   在源代码中包含头文件SSE2NEON.h

----结束

2.6 弱内存序导致程序执行结果和预期不一致

现象描述

弱内存序导致程序执行结果和预期不一致。

可能原因

ARM64平台是弱内存序，原理如下：

1. 同一份数据，在cache里面存在多份，需要CPU之间进行同步。

2. 代码编写顺序和执行顺序可能不一样。

CPU内部是流水线执行，在执行到x=1时，如果x在内存，那么CPU就会等待x导入到cache，在等待的过程中如果y已经在cache中了，那么CPU会执行y=1，这样就导致后面的语句先执行。

对系统的影响

· 影响无锁编程的代码。

· 对于使用信号量机制写的互斥代码，因为信号量函数已经带了内存屏障的指令，所以无影响。

处理步骤

找到使用无锁编程的代码，检查是否用内存屏障指令保证了数据的一致性。

使用内存屏障指令保证对共享数据的访问和预期一致。

示例：

2.7 对结构体中的变量进行原子操作时程序异常coredump

现象描述

程序调用原子操作函数对结构体中的变量进行原子操作，程序coredump，堆栈如下：

可能原因

ARM64平台对变量的原子操作、锁操作等用到了ldaxr、stlxr等指令，这些指令要求变量地址必须按变量长度对齐，否则执行指令会触发异常，导致程序coredump。

一般是因为代码中对结构体进行强制字节对齐，导致变量地址不在对齐位置上，对这些变量进行原子操作、锁操作等会触发问题。

处理步骤

代码中搜索“#pragmapack”关键字（该宏改变了编译器默认的对齐方式），找到使用了字节对齐的结构体，如果结构体中变量会被作为原子操作、自旋锁、互斥锁、信号量、读写锁的输入参数，则需要修改代码保证这些变量按变量长度对齐。

2.8 核数目硬编码

TaiShan服务器相对于x86服务器，CPU核数会有变化，如果模块代码针对处理器core数目硬编码，则会造成无法充分利用系统能力的情况，例如CPU核的利用率差异大或者绑核出现跨numa的情况。

处理步骤

您可以通过搜索代码中的绑核接口（sched_setaffinity）来排查绑核的实现是否存在CPU核数硬编码的情况。

如果存在，则根据TaiShan服务器实际核数进行修改，消除硬编码，可通过接口（sysconf(_SC_NPROCESSORS_CONF)）来获取实际核数再进行绑核。

 

2.9 双精度浮点型转整型时数据溢出，与X86平台表现不一致

现象描述

C/C++双精度浮点型数转整型数据时，如果超出了整型的取值范围，TaiShan平台的表现与x86平台的表现不同。

可能原因

在两个平台下，是两套CPU架构，其中的算数逻辑单元的实现可能会有差异，操作系统、编译器的实现都会有所不同。x86（指令集）中的浮点到整型的转换指令，定义了一个indefinite integer value——“不确定数值”（64bit：0x8000000000000000），大多数情况下x86平台确实都在遵循这个原则，但是在从double向无符号整型转换时，又出现了不同的结果。鲲鹏的处理则非常清晰和简单，在上溢出或下溢出时，保留整型能表示的最大值或最小值，开发者并不会面对不确定或无法预期的结果。

处理步骤

参考如下数据转换的表格，调整代码中的实现：

double数据向long转换：

double数据向unsigned long转换：

double数据向int转换：

double数据向unsigned int转换：

编译优化项

4.1 gcc编译器优化浮点运算精度

现象描述

编译优化选项设置-O2级别及以上时，相同的浮点数乘加运算在x86平台和ARM64平台的运算结果，在小数点后16位存在差异。

可能原因

ARM64平台编译优化选项设置为-O2级别及以上，进行浮点数的乘加运算(a+=b*c)，运算结果的精度只能精确到小数点后16位。在配置-O2选项时，gcc使用融合指令fmadd完成乘加运算，而不是fadd和fmul。

fmadd将浮点数的乘法和加法看成不可分的一个操作，不对中间结果进行舍入，从而导致计算结果有所差别。

对系统的影响

编译优化选项设置-O2级别及以上时，浮点乘加运算的性能有提升，但是运算的精度受到影响。

处理步骤

添加编译选项-ffp-contract=off可以关闭该优化。

4.2 增加编译选项匹配Kunpeng处理器架构，提升性能

在编译时增加编译选项指定处理器架构为armv8，使编译器按照Kunpeng处理器的架构和微架构生成可执行程序，提升性能。

处理步骤

编译选项中添加-march=armv8-a。

4.3 增加编译选项匹配Kunpeng处理器流水线，提升性能

如果使用了gcc 9.1以上的版本，在编译时增加编译选项指定使用tsv110流水线，使编译器按照Kunpeng处理器的流水线编排指令执行顺序，充分利用流水线的指令集并行，提升性能。

处理步骤

编译选项中添加 -mtune=tsv110。