Rust 在 Android 的编程实践——技术驱动的车云一体化解决方案探索

news/2024/11/13 12:40:33/文章来源:https://www.cnblogs.com/bkbk123/p/18538480

Rust 在 Android 的编程实践——技术驱动的车云一体化解决方案探索
Greptime 车云一体化解决方案颠覆了从前传统的车云协同模式，采用更加低成本、高效率的方案来满足当前的市场需求。其中 GreptimeDB Edge 作为核心组件，专为车机环境量身打造。本文旨在详尽探讨在 Android 平台利用 Rust 语言进行开发过程中所积累的经验和教训。

交叉编译
在车机场景下，GreptimeDB Edge 通常以服务的形式部署在 Android 环境上，这要求我们将其编译成适用于 Android 平台的可执行文件。一个初步的方案可能是购置一款 Android 开发板，安装 Rust 工具链以进行编译工作。然而，这种做法可能会面临以下挑战：

在 Android 开发板上配置 Rust 编译环境可能比较复杂（作者实际也没配置过）；

多数 Android 开发板的 CPU 性能较弱，编译大型项目时速度缓慢，效率低下；

本地 Android API 版本可能与目标设备上的 API 版本存在差异，甚至 CPU 架构也可能不同，从而导致兼容性问题。

相对而言，交叉编译提供了一个更为高效的替代方案。它允许开发者在一个系统平台上（例如 x86 的 PC）编译出能在另一种系统平台上（例如 ARM 移动设备）运行的程序，这在目标系统上直接编译困难时尤其有用。

Rust 对交叉编译的支持非常出色，加之 Android NDK 提供了必要的工具链和库，这进一步简化了交叉编译的过程。由于我们的开发或编译环境通常是 macOS 或 Linux，所以选择通过交叉编译的方式来生成 Android 可执行文件是一个理想的解决方案。

Rust 编译
首先，我们需要大致了解一下 Rust 编译过程。Rustc 先把 Rust 代码编译为 LLVM-IR，然后再由 LLVM 将 LLVM-IR 编译为各个平台的二进制，最终由 linker 链接在一起，生成最终的二进制文件。

Rustc 是 Rust 的编译器，以 LLVM 作为后端（也可以说 Rustc 是 LLVM 的前端）。

下面是一个简化版本的 Rust 编译架构图：

（图 1 ：简化版本的 Rust 编译架构图）

GreptimeDB 交叉编译实战
GreptimeDB Edge 是以开源版本的 GreptimeDB 为内核进行构建。所以，我们接下来，以开源版本的 GreptimeDB 为例，一步一步向大家展示如何在 x86 Linux 上进行交叉编译，生成 aarch64-linux-android 架构的可执行文件。

首先安装 Android NDK，下载地址为: https://developer.android.com/ndk/downloads?hl=zh-cn。此外设置一个环境变量，方便后续操作，如下所示：

export ANDROID_NDK_HOME=<YOUR_NDK_ROOT>

示例

export ANDROID_NDK_HOME=/home/fys/soft/ndk/android-ndk-r25c

接下来，从 GitHub 上拉取 GreptimeDB 的源码：

git clone https://github.com/GreptimeTeam/greptimedb.git --depth 1

然后，添加 Target 到 Rust 工具链是实现跨平台编译的关键步骤。这允许 Rustc 将中间表示层 LLVM-IR 代码编译成目标平台的机器语言。在这个例子中，目标平台架构是 aarch64-linux-android，在 GreptimeDB 项目根目录下执行以下命令：

rustup target add aarch64-linux-android

Rust 平台支持详见这里。

这时候，尝试编译可能会报错： “-lgcc” 找不到。原因是：Android NDK 的 libgcc.a 已经被 libunwind.a 替代，解决方案是复制一份 libunwind.a 并重命名为 libgcc.a，详见 Rust blog。

具体路径可能随着ndk版本的不同，需要改动。

cd $ANDROID_NDK_HOME/toolchains/llvm/prebuilt/linux-x86_64/lib/clang/17/lib/linux/aarch64/
cp libunwind.a libgcc.a

在仅涉及 Rust 语言的项目中，开发者通常需要配置链接器（Linker）和归档器（AR）。然而，Rust 支持在构建脚本（build.rs）中执行构建任务，因此在 Rust 项目的编译过程中，可能需要集成 C 和 C++ 等其他语言的编译工作。这通常需要向编译工具（如 cc 或 cmake 提供一些必要的信息，包括编译器路径（CC 和 CXX）、库文件和头文件的位置等，这一过程往往较为复杂。

cargo-ndk 这个项目帮我们解决了大部分问题。通过执行以下命令，就可以编译出适用于 aarch64-linux-android 平台的 GreptimeDB 二进制程序。

cargo ndk --platform 30 -t aarch64-linux-android build --bin greptime --release

此外，针对那些不兼容特定目标平台的库，处理起来确实较为棘手。一种解决方案是替换为兼容的库；如果涉及到功能并非必需，可以使用 feature guard ，在编译阶段将其去掉。

在编译过程中，如果遇到错误提示缺少 protobuf 库或其他，正确安装即可。

常见问题
之前遇到一个问题，当开启 LTO 优化时，交叉编译 GreptimeDB 就会失败。报错信息如下所示：

= note: ld.lld: error: duplicate symbol: pthread_atfork
>>> defined at crtbegin.c
>>> /home/fys/soft/ndk/android-ndk-r26d/toolchains/llvm/prebuilt/linux-x86_64/bin/../sysroot/usr/lib/aarch64-linux-android/23/crtbegin_dynamic.o:(pthread_atfork)
>>> defined at build_jemalloc.6cd863fbc26b10-cgu.0
>>> /home/fys/source/build_jemalloc/target/aarch64-linux-android/nightly/deps/build_jemalloc-c1434931e7fc5ee2.build_jemalloc.6cd863fbc26b10-cgu.0.rcgu.o:(.text.pthread_atfork+0x0)
clang-17: error: linker command failed with exit code 1 (use -v to see invocation)

当 API level >= 21 时，Android 会提供一个 pthread_atfork 的声明。而 tikv-jemallocator 中也有一个 pthread_atfork 的声明，都是强符号类型，当开启 LTO 优化时，就会导致了符号冲突。解决方案：将 tikv-jemallocator 中 pthread_atfork 设置为弱符号类型。

最新版本的 tikv-jemallocator 已经解决了这个问题，详见这里。

Backtrace on Android
在开发 GreptimeDB Edge 项目的过程中，我们观察到 Rust 语言的标准库的 backtrace 在 Android 环境中无法提供预期的堆栈信息。具体来说，当程序 panic 时，相关的堆栈信息未能正确捕获，而是显示为 unknown，这为问题的诊断带来了极大的困扰。

问题复现
为了复现这一问题，我们编写了一个简化的示例程序。

在 main 方法中触发了一个 panic，模拟程序出现异常：

fn main() {
panic!("Panic here.");
}

指定 rust-toolchain 为 stable 1.81 或者更低的版本：

[toolchain]
channel = "1.81"

交叉编译，生成在 Android 上运行的二进制文件。在此过程中，我们可以回顾并巩固上一节的内容:

export ANDROID_NDK_HOME=<YOUR_NDK_ROOT>
rustup target add aarch64-linux-android
cargo ndk --platform 28 -t aarch64-linux-android build --release

将二进制 push 到 Android 虚拟机，执行：

RUST_BACKTRACE=full ./<二进制文件路径>

执行结果表明，未能成功获取到预期的 backtrace 信息。问题复现了！

thread 'main' panicked at src/main.rs:2:5:
Panic here
stack backtrace:
0: 0x5d908f7a7535 -
1: 0x5d908f7b336b -
2: 0x5d908f7a617f -
3: 0x5d908f7a8541 -
4: 0x5d908f7a817e -
5: 0x5d908f7a8fe8 -
6: 0x5d908f7a8ed3 -
7: 0x5d908f7a7a09 -
8: 0x5d908f7a8b94 -
9: 0x5d908f7b2753 -
10: 0x5d908f7a1e0c -
11: 0x5d908f7a1db3 -
12: 0x5d908f7a1da9 -
13: 0x5d908f7a4eb9 -
14: 0x5d908f7a1e35 -
15: 0x7d6d9c64478d -
解决方案
我们先介绍一下解决方案，以便对问题原因不感兴趣的的小伙伴可以跳过下一节。

升级 Rust 工具链版本：建议将 rust-toolchain 版本升级至 1.82 或更高。这个问题已经在 1.82 中被修复了（下一小节会介绍修复方法）。

自定义 Panic Hook： Rust 支持通过注册自定义的 panic hook 函数来替代默认行为。若无法升级 Rust 版本，可利用 backtrace-rs 库设置自定义 panic hook 函数。

Rust 默认的 panic hook 函数可能无法满足特定环境下的需求，例如，在 Android 平台上，可能倾向于将 panic 信息输出到文件或 logcat，而默认的 panic hook 函数只是把 panic 信息输出到标准错误中。因此，很多场景下都需要我们自定义 panic hook 函数。

下面提供一个实现示例：

pub fn set_panic_hook() {
#[cfg(windows)]
const LINE_ENDING: &str = "\r\n";
#[cfg(not(windows))]
const LINE_ENDING: &str = "\n";

std::panic::set_hook(Box::new(move |panic| {let backtrace = backtrace::Backtrace::new();let Some(l) = panic.location() else {log::error!("Panic: {:?}, backtrace: {}{:#?}",panic, LINE_ENDING, backtrace);return;};log::error!("Panic: {:?}, file: {}, line: {}, col: {}, backtrace: {}{:#?}",panic,l.file(),l.line(),l.column(),LINE_ENDING,backtrace,);
}));

}

输出的堆栈信息如下所示（在编译选项中去掉了 debug info, 且保留了符号表）:

cfrw.scffy.cn
cfrw.cnjiasi.cn
cfrw.xintiao78.com
cfrw.62nsfs.com
cfrw.jinduoceramics.com
cfrw.shuixitech.com
cfrw.huanbao580.com
cfrw.szlcdpq.com
cfrw.sdymsxfh.com
cfrw.tanjiuspace.com
cfrw.yjh9988.com
cfrw.jyh01.com
cfrw.gzysart.com
cfrw.kfamaw.com
cfrw.shplcchina.com
cfrw.51yjjy.com
cfrw.testoppo.com
cfrw.huaxinlighting.com
cfrw.51jyo.com
cfrw.bctiantuo.com

Panic: PanicHookInfo { payload: Any { .. }, location: Location { file: "src/main.rs", line: 3, col: 5 }, can_unwind: true, force_no_backtrace: false }, file: src/main.rs, line: 3, col: 5, backtrace:
0: 0x5a58805bdf63 - cross_compile_on_android::set_panic_hook::{{closure}}::h8ff538cfa624b522
1: 0x5a58805fb0f3 - std::panicking::rust_panic_with_hook::h1f4c9072872fa4b1
2: 0x5a58805fadb3 - std::panicking::begin_panic_handler::{{closure}}::h73465221de2f2f04
3: 0x5a58805f9689 - std::sys::backtrace::__rust_end_short_backtrace::h67f67f7cadadf1c3
4: 0x5a58805faa74 - rust_begin_unwind
5: 0x5a5880605b63 - core::panicking::panic_fmt::h394cd2a8b9d0c24d
6: 0x5a58805bdf11 - cross_compile_on_android::main::h477274cf7246f129
7: 0x5a58805bdb53 - std::sys::backtrace::__rust_begin_short_backtrace::hb593986c2bdf2ffe
8: 0x5a58805bdb49 - std::rt::lang_start::{{closure}}::hdba3573990c4d5eb
9: 0x5a58805f4519 - std::rt::lang_start_internal::h50565391ca281790
10: 0x5a58805be1f5 - main
11: 0x7e5b4020278d - __libc_init

补充说明：输出的堆栈信息与编译选项也有关系。如果把二进制中的符号表和 debug info 都去掉，会生成 unknown 的堆栈。如果保留 debug info，堆栈信息将更详细，但二进制的体积会增加很多。

问题原因
接下来，我们将基于 Rust 1.81，来探究一下之前提出的问题。

前置知识
Rust 标准库的 backtrace 依赖了 backtrace-rs 库，并以 git submodule 的形式集成到了 Rust 标准库中,详见这里。

backtrace-rs 在编译构建时，会判断 Android 的 API 版本。如果大于等于 21，则会启用 dl_iterate_phdr 特性。详见这里（注： backtrace-rs 的版本是 Rust 1.81 依赖的版本，并不是最新版本）。

综合以上两点，Rust 标准库以 git submodule 的形式引入了 backtrace-rs，但是并没有执行 backtrace-rs 中的 build.rs 的构建逻辑，导致 dl_iterate_phdr 特性未能启用。那么标准库的 backtrace 就无法在 Android 上正常工作了。

破案了！

解决方法
实际上，我们只需在标准库中启用 backtrace-rs 的 dl_iterate_phdr 特性即可。但是从 #120593 开始，Rust 对 Android 的最小支持 API 版本从 19 提升至 21，并且从 21 开始，Android 就支持了 dl_iterate_phdr，具体信息可以查看这里。所以我们可以在 backtrace-rs 库中直接默认开启 dl_iterate_phdr 特性，无需检测 Android 的 API 版本（Rust 1.82 也是这么修复的）。