Plattformübergreifende Softwareentwicklung unter Linux

Transkript

1 Plattformübergreifende Softwareentwicklung unter Linux Dr. Christian Dietrich Linux-Infotag FH-Augsburg

2 Inhalt Allgemeines Paradigmen plattformübergreifender Softwareentwicklung Binaries für unterschiedliche Targets in C/C++ Standards Libraries und Frameworks Sprachkonzepte GNU-Compiler / GNU-Toolchain Beispiel C/C++ Qt Prozessorspeziefische Optimierung

3 Allgemeines Ziel der Plattformübergreifenden Entwicklung: Software auf möglichst vielen Computersystemen (Zielsystemen) mit Unterschieden in Architektur, Prozessor, Compiler und Betriebssystem in einer lauffähigen Version zur Verfügung zu stellen. Dieses Ziel kann durch zwei unterschiedliche Paradigmen erreicht werden.

4 Paradigmen 1. Plattformunabhängige(re) Software: Die Plattformunabhängigkeit des Programms (Zwischencode, interpretierbarer Code und Fat Binaries) soll erhöht werden, um eine Lauffähigkeit auf den verschiedenen (den gewünschten) Zielsystemen zu erreichen. 2. Binaries für unterschiedliche Targets: Die Portabilität des Quellcodes soll verbessert werden (plattformübergreifende Programmierung), damit die auf diesem basierenden Programme (Binaries) für unterschiedliche Zielsysteme (Targets) kompiliert werden können.

5 Plattformunabhängige(re) Software In Zwischencode vorliegende Software: Programme, die als Bytecode vorliegen und die auf einer virtuellen Maschine ausgeführt werden (Java,.NET). Virtuelle Maschinen existieren für verschiedenen Zielsysteme. Interpretierbare Software: Programme, die als Quellcode vorliegen und auf dem Zielsystem durch einen Interpreter ausgeführt werden (Perl, PHP, Python,...). Fat Binaries: Programmpakete, die mehrere lauffähige Versionen enthalten. Das Betriebssystem startet ohne Interaktion des Anwenders die richtige Version. Voraussetzung für die Erstellung der fat binary ist die Portabilität des Quellcodes. Beispiele: Das OpenStep-Programmformat. Mac OS Fat Binaries, die sowohl auf Motorola-680x0- basierten Apple-Rechnern als auch auf PowerPC-Macs ausführbar sind.

6 Binaries für unterschiedliche Targets Quellcode-Portabilität / Plattformübergreifende Programmierung: Häufig bei C/C++-Programmen für LINUX/UNIX. Quellcode enthält Anweisungen, die es erlauben, die Betriebssystemunterschiede auszugleichen. Zahlreiche Hilfsmittel, z.b. GNU autoconf. Viele im Quellcode portable Programme stehen bereits in vorgefertigten Versionen für mehrere Plattformen bereit. Beispiele: Mozilla, Firefox, Thunderbird, GIMP, OpenOffice. Cross Compiler: Bei der Softwareentwicklung für Embedded Systeme tritt häufig das Problem auf, dass das Embedded System nicht über genügend Ressourcen für das Entwicklungssystem (Compiler, Debugger, Profiler,...) verfügt. Hier wird auf dem Entwicklungssystem ein Cross Compiler eingesetzt, der die Binaries für das Zielsystem (das Embedded System) erzeugt.

7 Bemerkungen Plattformunabhängige(re) Software Virtuelle Maschinen (VM) und einige Interpreter sind mittlerweile schnell und enthalten Optimierungen. Beispielsweise: Die dynamische Übersetzung zur Laufzeit durch einen JIT-Compiler (Just-In-Time-Compiler). Der Ressourcenbedarf für die VM ist für Embedded-Systeme meist zu hoch. Binaries für unterschiedliche Targets Die native Ausführung eines Programms ist meist schneller. Der Ressourcenbedarf nativer Programme ist geringer.

8 Binaries für unterschiedliche Targets in C/C++

9 Standards ANSI-C Relativ einheitliche Implementierung auf verschiedenen Plattformen. Zusätzlich wird jedoch eine Standard C Library benötigt. POSIX (Portable Operating System Interface for UNIX) Ein gemeinsam von der IEEE und der Open Group für Unix entwickeltes standardisiertes Applikationsebeneninterface, das die Schnittstelle zwischen Applikation und dem Betriebssystem darstellt. Basis-Definitionen (POSIX.1/IEEE ): Eine Liste der im Standard benutzten Konventionen und Definitionen, zusätzlich noch eine Liste der bereitzustellenden C-Headerdateien Shell und Hilfsprogramme (POSIX.2/IEEE ): Eine Liste der Hilfsprogramme und der Shell Echtzeit-Erweiterungen (POSIX.4/IEEE b-1993/IEEE d-1999) Thread-Erweiterungen (POSIX.4a/IEEE c-1994) System-Schnittstelle: Eine Liste der C-Systemaufrufe, die unterstützt werden müssen

10 Libraries Die GNU libc (glib-2, auch bekannt als libc-6) Ist sehr umfangreich, da sie mit der Intention entwickelt wurde, möglichst viele Standards für C-Libraries zu erfüllen. Ihre Verwendung in Anwendungsprogrammen führt daher zu einer hohen Maß an Portabilität. Die glibc erfüllt die folgenden Standards: ANSI C POSIX.1 Viele Funktionen von POSIX.2 Aufwärts kompatibel zu BSD 4.3 und 4.4 Viele Funktionen von System V (SVID) GNU-eigene Erweiterungen

11 Libraries und Frameworks C Bibliotheken GNU libc (existiert auch für Windows und Mac) uclibc (für Embedded Systeme) newlib (für Embedded Systeme) Diet-libc (für Embedded Systeme) C++ Frameworks zur plattformunabhängigen Entwicklung Qt (Windows, Linux, Mac) Qt Embedded (für Embedded Systeme) WxWidgets (Windows, Linux, Mac, Embedded) Grafiklibraries PicoGUI (für Embedded Systeme) MiniGUI (für Embedded Systeme) MicroWindows (für Embedded Systeme) FLTK (für Embedded Systeme)

12 Libraries und Frameworks uclibc Qt C Library, die sich für den Einsatz auf Embedded Systemen eignet Speicherbedarf ca. 300 kb Plattform-Abstraction-Layer, zur einfachen Konfiguration der Library für Rechner mit unterschiedlicher Hardware Basiert auf C++ und ist vollständig objektorientiert Unterliegt der GPL Vom Hersteller kann eine Lizenz für Closed Source Software erworben werden Es existieren zwei Versionen: Qt für X11, Windows und Mac Qt embedded (kommt ohne X11 aus)

13 Sprachkonzepte Die Qt Klasse QSettings implementiert ein persistentes plattformunabhängiges Setting. Während der Quellcode identisch ist, bool writeentry (const QString& key, bool value) bool writeentry (const QString& key, double value) bool writeentry (const QString& key, int value) bool writeentry (const QString& key, const QString & value) QString readentry(const QString& key, const QString& def = QString::null, bool* ok = 0) const int readnumentry(const QString& key, int def = 0, bool* ok = 0) const double readdoubleentry(const QString& key, double def = 0, bool* ok = 0) const bool readboolentry ( const QString & key, bool def = FALSE, bool * ok = 0 ) const werden die Daten betriebssystemspezifisch abgespeichert. Linux/UNIX: QSettings speichert die Informationen in den gewohnten Textdateien. Windows: QSettings speichert die Daten in der Registry. Mac OS X: QSettings verwendet die Carbon API für Settings.

14 GNU-Compiler Standard Compiler vieler Systeme: Linux, BSD, Mac OS X, NextStep, BeOS, ZETA,... Der GNU-Compiler besitzt einen leistungsfähigen Codeoptimierer. Dieser reduziert die Größe des Binärcodes und optimiert die Performanz. Durch das Frontend/Backend-Konzept eignet sich der GNU Compiler insbesondere für die Codeerstellung zahlreicher Hardware-Plattformen. Frontends sind sprachabhängig und erzeugen einen abstrakten Syntaxbaum. Fast alle modernen kompilierbaren Sprachen stehen bereit (C/C++, Objective-C, ADA, Fortran, Java). Backends implementieren die Schnittstelle zur verwendeten Prozessor-Architektur. Nebenbei: Viele Codeoptimierungsverfahren optimieren den abstrakten Syntax-Baum. Dieser Teil des Compilers wird als Middleend bezeichnet.

15 GNU-Toolchain Die GNU-Toolchain stellt eine Sammlung von Entwicklungstools zur Verfügung: Compiler (gcc, g++) Linker (ld) Debugger (gdb) Assembler (as) Profiler (gprof) ar, nm, objcopy, objdump, ranlib, strip,...

16 Entwicklungsumgebung Moderne Entwicklungsumgebungen unter Linux nutzen keinen eigenen Compiler und Debugger, sondern verwenden den GNU Compiler/Debu gger. KDevelop Eclipse

17 Ein Beispiel C/C++ Qt Ein GUI Programm Hello World bestehend aus 3 Source-Code Dateien. mywidget.h #include <qwidget.h> class MyWidget : public QWidget { public: MyWidget(QWidget *parent=0, const char *name=0); };

18 Ein Beispiel C/C++ Qt mywidget.cpp: #include "mywidget.h" #include <qpushbutton.h> MyWidget::MyWidget(QWidget *parent, const char *name) : QWidget(parent, name) { setminimumsize(200, 120); setmaximumsize(200, 120); QPushButton* quit = new QPushButton("Quit", this, "quit"); quit->setgeometry(62, 40, 75, 30); quit->setfont(qfont("times", 18, QFont::Bold)); } connect(quit, SIGNAL(clicked()), qapp, SLOT(quit()));

19 Ein Beispiel C/C++ Qt main.cpp #include "mywidget.h" #include <qapplication.h> int main(int argc, char** argv) { QApplication a(argc, argv); MyWidget w; w.setgeometry(100, 100, 200, 120); a.setmainwidget(&w); w.show(); return a.exec(); }

20 Ein Beispiel C/C++ Qt Erzeugen der Project-Datei: (Nur Anfangs) > qmake -project Erzeugen eines plattformspezifischen Makefiles: > qmake Binary erstellen: > make

21 Ein Beispiel C/C++ Qt Unter Linux / X11 verwendet das Programm die folgenden Libraries. Befehl: ldd example

22 Ein Beispiel C/C++ Qt Durch die Verwendung von Qt embedded entfallen die Abhängigkeiten zu X11. Die grafische Ausgabe erfolgt über den Framebuffer. Befehl: ldd example

23 Ein Beispiel C/C++ Qt Unter Windows verwendet das Programm die folgenden Libraries. Befehl: dumpbin /dependants example.exe Verwendeter Compiler: Visual C++

24 Ein Beispiel C/C++ Qt Sofern das Target nicht über genügend Ressourcen für das Entwicklungssystem verfügt, werden folgende Tools auf dem Entwicklungsrechner benötigt um Qt-Programme zu erstellen: Ein Cross-Compiler (in vielen Fällen eine gnu Tool-Chain). Diese beinhaltet die C-Libary und die C++Library. Eine Qt Library für das Zielsystem. Diese wird üblicherweise durch den Cross-Compiler erstellt. Nun können auf einem Entwicklungsrechner Binaries für das entsprechende Target erzeugt werden. Allerdings müssen einige Umgebungsvariablen beachtet werden...

25 Ein Beispiel C/C++ Qt case "$ENV" in "qtx11" ) export QTDIR=/usr/lib/qt-x11-free unset QMAKESPEC ;; "qtemb" ) export QTDIR=/usr/lib/qt-embedded-free unset QMAKESPEC ;; "qtarm" ) export QTDIR=/usr/lib/qt-embedded-free arm PATH=$PATH:/usr/local/arm/cross-gcc/i686-pc-linux-gnu/bin: export QMAKESPEC=$QTDIR/mkspecs/qws/linux-arm-g++ ;; esac

26 Ein Beispiel C/C++ Qt Der Unix-Befehl file zeigt an, für welches Target das Binary erzeugt wurde. Siehe...

27

28 Optimierter Code Der GNU Compiler unterstützt Optimierungsstrategien verschiedener Prozessoren. ACHTUNG: Diese müssen auch vom Betriebssystem unterstützt werden, da dieses beim Wechsel zwischen Prozessen den Zustand der Register speichern muss. SIMD-Erweiterungen (Single Instruction, Multiple Data) wie MMX, SSE, SSE2, SSE3 und 3DNow erlauben, dass durch einen einzelnen Befehl, mehrere Berechnungen, parallel ausgeführt werden. Durch Intrinsics-Funktionen können diese Erweiterungen auch ohne Inline-Assembler verwendet werden. Ein Beispiel: Übersetzen mit SSE2 (ab Pentium 4) > g++ -msse2 -DUSE_INTRINSICS multiply.cpp -o multiply.sse2 Übersetzen ohne Optimierung > g++ multiply.cpp -o multiply.std

29 Der Präprozessor übernimmt die bedingte Ersetzung des SSE2 optimierten Codes. Der optimierte Code wird durch den define USE_INTRINSICS eingeschaltet.

30 Fazit Linux bietet eine moderne Entwicklungsumgebung und viele Tools um Software plattformunabhängig zu entwickeln. Der C/C++ Ansatz wurde vorgestellt. Qt stellt Tools (qmake, linguist, designer,...) zur Verfügung um C++- Programme zu erstellen, die auf unterschiedlichen Zielsystemen lauffähig sind. Im Gegensatz zu Java/.NET müssen die Binaries jedoch für die vorgesehenen Zielsysteme erstellt werden. Die individuelle Erstellung der Binaries ermöglicht die Optimierung dieser für die unterschiedlichen Zielsysteme.