干货分享: TaiShan服务器代码移植经验总结

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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，笔者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

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。

来源：华为开发者社区

内容分享结束，更多服务器精彩内容已经整理成“数据中心服务器知识全解”电子书，全书共190页，分18个章节。全书简要目录如下(详解目录和内容请通过“阅读原文”获取)

一、 服务器处理器芯片概述 1

1.1 ARM处理器和厂商介绍 2

1.1.1 ARM处理器架构新进展 8

1.1.2 ARM处理器的主流玩家 10

1.1.3 业界对ARM技术发展态度 10

1.2 RISC-V处理器和厂商介绍 11

1.3 MIPS处理器和厂商介绍 15

1.3.1 龙芯产品和新进展 15

1.4 Alpha处理器和厂商介绍 17

二、 处理器生态和软件堆栈 18

2.1 处理器软件堆栈架构概述 19

2.2  操作系统和预置软件堆栈 20

2.2.1 原生操作系统支持介绍 20

2.2.2 操作系统预置应用程序 20

2.3 通用应用程序移植分析 20

2.3.1 解释型语言应用程序移植 21

2.3.2 编译型语言应用程序移植 21

2.3.3 应用程序安装包 22

2.3.4 ARM与X86编译差异与解决方法 22

2.3.5 改善应用程序并发计算能力 24

>>>以下为简略目录<<<

三、 RISC处理器几个关键知识和对比 25

四、 服务器基础知识概述 30

五、 服务器总线知识 50

六、 BIOS/UEFI固件知识 52

七、 服务器认证体系知识 54

八、 服务器CPU基础知识 54

九、 服务器内存基础知识 64

十、 服务器硬盘基础知识 70

十一、RAID原理和基础知识 87

十二、网卡原理和基础知识 93

十三、光纤和连接器基础知识 97

十四、光纤交换机基础知识 123

十五、GPU架构和相关知识 135

十六、FPGA架构和相关知识 179

十七、操作系统基础知识介绍 186

十八、服务器安全基础知识 196

更多架构师技术关知识请参考“架构师技术全店资料打包汇总(全)”电子书(32本技术资料打包汇总、详解目录和内容请通过“阅读原文”获取)。

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