十分钟让你相识 Linux ABI
lctt 译注：昨天，almalinux 称将 放弃 对 rhel 的 1:1 兼容性，但将坚持对 rhel 的 abi 兼容，以便在 rhel 上运行的软件可以无缝地运行在 almalinux 上 � ？赡苡械耐舛� abi 的看法还不是很清晰，因此翻译此文供各人相识 。
许多 Linux 喜欢者都熟悉 Linus Torvalds 的 著名申饬：“我们不破损用户空间”，但可能并非每个听到这句话的人都清晰其寄义 。
这个“第一规则”提醒开发职员关于应用程序的二进制接口（ABI）的稳固性，该接口用于应用程序与内核之间的通讯和设置 。接下来的内容旨在使读者熟悉 ABI 的看法，叙述为什么 ABI 的稳固性很主要，并讨论 Linux 稳固 ABI 中包括了哪些内容 。Linux 的一连增添和演进需要对 ABI 举行变换，其中一些变换引起了争议 。
什么是 ABI ？
ABI 体现 应用程序二进制接口Applications Binary Interface 。明确 ABI 看法的一种方法是思量它与其他看法的区别 。关于许多开发职员来说，应用程序编程接口Applications Programming Interface（API）更为熟悉 。通常，库的头文件和文档被以为是其 API，以及尚有像 HTML5 这样的标准文档 。挪用库或交流字符串名堂数据的程序必需遵守 API 中所形貌的约定，不然可能获自满外的效果 。
ABI 类似于 API，由于它们划定了下令的诠释和二进制数据的交流方法 。关于 C 程序，ABI 通常包括函数的返回类型和参数列表、结构体的结构，以及枚举类型的寄义、顺序和规模 。阻止 2022 年，Linux 内核仍然险些完全是 C 程序，因此必需遵守这些规范 。
“内核系统挪用接口” 的形貌可以在《Linux 手册第 2 节》中找到，并包括了可从中心件应用程序挪用的类似 mount 和 sync 的 C 版本函数 。这些函数的二进制结构是 Linux ABI 的第一个主要组成部分 。关于问题 “Linux 的稳固 ABI 包括哪些内容 ？”，许多用户和开发职员的回覆是 “sysfs（/sys）和 procfs（/proc）的内容” 。而现实上，官方 Linux ABI 文档 确实主要集中在这些 虚拟文件系统 上 。
前面着重先容了 Linux ABI 在程序中的应用方法，但未涵盖一律主要的人为因素 。正如下图所示，ABI 的功效需要内核社区、C 编译器（如 GCC 或 clang）、建设用户空间 C 库（通常是 glibc）的开发职员，以及凭证 可执行与链接名堂（ELF） 结构的二进制应用程序之间的相助起劲 。
开发社区内的相助
为什么我们关注 ABI ？
来自 Torvalds 自己的 Linux ABI 的稳固性包管，使得 Linux 刊行版和小我私人用户能够自力更新内核，而不受操作系统的影响 。
若是 Linux 没有稳固的 ABI，那么每次内核需要修补以解决清静问题时，操作系统的大部分甚至所有内容都需要重新装置 。显然，二进制接口的稳固性是 Linux 的可用性和普遍接纳的主要因素之一 。
Terminal output
如上图所示，内核（在 linux-libc-dev 中）和 Glibc（在 libc6-dev 中）都提供了界说文件权限的位掩码 。显然，这两个界说集必需一致！apt 软件包管理器会识别软件包提供每个文件 。Glibc ABI 的潜在不稳固部分位于 bits/ 目录中 。
在大部分情形下，Linux ABI 的稳固性包管运作优异 。凭证 康韦定律Conway’s Law，在开发历程中泛起的烦人手艺问题往往是由于差别软件开发社区之间的误解或不同所致，而这些社区都为 Linux 做出了孝顺 。差别社区之间的接口可以通过 Linux 包管理器的元数据轻松地举行想象，如上图所示 。
Y2038：一个 ABI 破损的例子
通过思量目今正在举行的、缓慢爆发 的 “Y2038” ABI 破损的例子，可以更好地明确 Linux ABI 。在 2038 年 1 月，32 位时间计数器将回滚到全零，就像较旧车辆的里程表一样 。2038 年 1 月听起来还很遥远，但可以一定的是，现在销售的许多物联网装备仍将处于运行状态 。像今年装置的 智能电表 和 智能停车系统 这样的通俗产品可能接纳的是 32 位处理器架构，并且也可能不支持软件更新 。
Linux 内核已经在内部转向使用 64 位的 time_t 不透明数据类型来体现更晚的时间点 。这意味着像 time() 这样的系统挪用在 64 位系统上已经变换了它们的函数署名 。这些起劲的艰难水平可以在内核头文件中（例如 time_types.h）清晰地看到，在那里放着新的和 _old 版本的数据结构 。
里程表翻转
Glibc 项目也 支持 64 位时间，那么就大功告成了，对吗 ？不幸的是，凭证 Debian 邮件列表中的讨论 来看，情形并非云云 。刊行版面临难以选择的问题，要么为 32 位系统提供所有二进制软件包的两个版本，要么为装置介质提供两个版本 。在后一种情形下，32 位时间的用户将不得不重新编译其应用程序并重新装置 。正如往常一样，专有应用程序才是一个真正的头疼问题 。
Linux 稳固 ABI 里究竟包括什么内容 ？
明确稳固 ABI 有些玄妙 。需要思量的是，只管大部分 sysfs 是稳固 ABI，但调试接口一定是不稳固的，由于它们将内核内部袒露给用户空间 。Linus Torvalds 曾体现，“不要破损用户空间”，通常情形下，他是指�；つ切� “只想它能事情” 的通俗用户，而不是系统程序员和内核工程师，后者应该能够阅读内核文档和源代码，以相识差别版本之间爆发了什么转变 。下图展示了这个区别 。
稳固性包管
通俗用户不太可能与 Linux ABI 的不稳固部分举行交互，但系统程序员可能无意中这样做 。除了 /sys/kernel/debug 以外，sysfs（/sys）和 procfs（/proc）的所有部分都是稳固的 。
那么其他对用户空间可见的二进制接口怎样呢，包括 /dev 中的装备文件、内核日志文件（可通过 dmesg 下令读� 。⑽募低吃莼蛟谀诤说� “下令行” 中提供的 “指导参数”（在指导加载程序如 GRUB 或 u-boot 中可见）呢 ？虽然，“这要视情形而定” 。
挂载旧文件系统
除了 Linux 系统在指导历程中泛起挂起之外，文件系统无法挂载是最令人失望的事情 。若是文件系统位于付费客户的固态硬盘上，那么问题确实十分严重 。当内核升级时，一个能够在旧内核版本下挂载的 Linux 文件系统应该仍然能够挂载，对吗 ？现实上，“这要视情形而定” 。
在 2020 年，一位受到危险的 Linux 开发职员在内核的邮件列表上 诉苦道：
内核已经接受这个作为一个有用的可挂载文件系统名堂，没有任何过失或任何类型的忠言，并且已经这样稳固地事情了多年……我一直普各处以为，挂载现有的根文件系统属于内核用户空间或内核现有系统界线的规模，由内核接受并被现有用户空间乐成使用的内容所界说，升级内核应该与现有用户空间和系统兼容 。
可是有一个问题：这些无法挂载的文件系统是使用一种依赖于内核界说，但并未被内核使用的标记的专有工具建设的 。该标记未泛起在 Linux 的 API 头文件或 procfs/sysfs 中，而是一种 实现细节 。因此，在用户空间代码中诠释该标记意味着依赖于“未界说行为”，这是个险些会让每个软件开发职员都感应战栗的短语 。当内核社区刷新其内部测试并最先举行新的一致性检查时，“man 2 mount” 系统挪用突然最先拒绝具有专著名堂的文件系统 。由于该名堂的建设者明确是一位软件开发职员，因此他未能获得内核文件系统维护者的同情 。
施工标记上写着事情职员在树上举行事情
线程化内核的 dmesg 日志
/dev 目录中的文件名堂是否包管稳固或不稳固 ？dmesg 下令 会从文件 /dev/kmsg 中读取内容 。2018 年，一位开发职员 为 dmesg 输出实现了线程化，使内核能够“在打印一系列 printk() 新闻到控制台时，不会被中止和/或被其他线程的并发 printk() 滋扰” 。听起来很棒！通过在 /dev/kmsg 输出的每一行添加线程 ID，实现了线程化 。亲近关注的读者将意识到这个改动改变了 /dev/kmsg 的 ABI，这意味着剖析该文件的应用程序也需要举行响应的修改 。由于许多刊行版没有编译启用新功效的内核，大大都使用 /bin/dmesg 的用户可能没有注重到这件事，但这个改动破损了 GDB 调试器 读取内核日志的能力 。
确实，敏锐的读者会以为 GDB 的用户运气不佳，由于调试器是开发职员工具 。现实上并非云云，由于需要更新以支持新的 /dev/kmsg 名堂的代码位于内核自己的 Git 源代码库的 “树内” 部分 。关于一个正常的项目来说，单个代码库内的程序无法协同事情就是一个显着的过失，因此已经合并了一份 使 GDB 能够与线程化的 /dev/kmsg 一起事情的补丁 。
那么 BPF 程序呢 ？
BPF 是一种强盛的工具，可以在运行的内核中监控甚至实时举行设置 。BPF 最初的目的是通过允许系统治理员即时从下令行修改数据包过滤器，从而支持实时网络设置 。Alexei Starovoitov 和其他人极大地扩展了 BPF，使其能够跟踪恣意内核函数 。跟踪显着是开发职员的领域，而不是通俗用户，因此它显然不受任何 ABI 包管的约束（只管 bpf() 系统挪用 具有与其他系统挪用相同的稳固性允许） 。另一方面，建设新功效的 BPF 程序为“取代内核� ？槌晌┱鼓诤说氖率当曜际侄巍碧峁┝丝赡苄� 。内核� ？槭棺氨浮⑽募低场⒓用堋⑼绲仁虑檎�，因此显着是“只希望它事情”的通俗用户所依赖的设施 。问题是，与大大都开源内核� ？椴畋�，BPF 程序古板上不在内核源代码中 。
2022 年春季，一个提案 成为了焦点，该提案提议使用微型 BPF 程序而不是装备驱动程序补丁，对普遍的人机接口装备（如鼠标和键盘）提供支持 。
随后举行了一场强烈的讨论，但这个问题显然在 Torvalds 在开源峰会上的谈论 中获得解决：
他指出，若是你破损了“通俗（非内核开发职员）用户使用的真适用户空间工具”，那么你需要修复它，无论是否使用了 eBPF 。
一致意见似乎正在形成，即希望其 BPF 程序在内核更新后仍能正常事情的开发职员 将需要将其提交到内核源代码库中一个尚未指定的位置 。敬请关注后继生长，以相识内核社区关于 BPF 和 ABI 稳固性将接纳什么样的政策 。
结论
内核的 ABI 稳固性包管适用于 procfs、sysfs 和系统挪用接口，但也保存主要的破例情形 。当内核变换破损了“树内”代码或用户空间应用程序时，通�；嵫杆倩毓鲇形侍獾牟苟� 。关于依赖内核实现细节的专有代码，只管这些细节可以从用户空间会见，但它并没有受到�；�，并且在泛起问题时获得的同情有限 。当像 Y2038 这样的问题无法阻止 ABI 破损时，会以尽可能稳重和系统化的方法举行过渡 。而像 BPF 程序这样的新功效提出了关于 ABI 稳固性界线的尚未解答的问题 。
致谢
谢谢 Akkana Peck、Sarah R. Newman 和 Luke S. Crawford 对早期版实质料的有益谈论 。
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