交叉編譯總結
本文是交叉編譯入門及必要配置方法總結，目的爲新手介紹如何進入交叉編譯的世界，並附帶兩個重要列子：
第一個是使用cmake進行交叉編譯
第二個是交叉編譯Protobuf
交叉編譯的目的是在一臺架構A主機平臺上編譯另一種架構B目標平臺的二進制文件或者庫，交叉編譯在目標系統平臺（開發出來的應用程序序所運行的平臺）難以或不容易編譯時非常有用。主要體現在以下四個方面：
- 性能： 目標平臺比主機平臺性能差，許多專用的嵌入式硬件被設計爲低成本和低功耗，導致編譯慢
- 資源： 整個編譯過程是非常消耗資源的，嵌入式系統往往沒有足夠的內存或磁盤空間
- 初始狀態： 即便當目標平臺性能資源都充足時，第一個在目標平臺上運行的本地編譯器總需要通過交叉編譯獲得
- 靈活兼容： 完整的Linux編譯環境需要很多支持包，交叉編譯使我們不需要花時間將各種支持包移植到目標板上
確定主機平臺及目標平臺
執行交叉編譯最基本的就是明確自己主機平臺和目標平臺的架構。
- 主機平臺
主機平臺一般都是日常使用的PC平臺，爲通用的Intel或者AMD的CPUx86架構，分32bit和64bit兩種。當然也不排除使用其他平臺架構作爲主機平臺。 - 目標平臺
目標平臺就比較多，較爲主流的有arm、mips、PowerPC等。每個平臺下面都有各自的細分，主要還是分爲32bit和64bit。
以arm爲例，arm平臺的指令集也在不斷更新，目前存在比較多的是armv7和armv8兩個平臺。armv7爲32位。armv8兼容32位和64位，有aarch32和aarch64。
mips平臺在嵌入式領域也比較常見，龍芯就是採用mips架構進行開發的，爲mips64。
獲取交叉編譯工具鏈
要執行交叉編譯就需要有對應的交叉編譯工具鏈，稱之爲工具鏈就是編譯都是一整套工具，並不是單一的工具。比較熟知的就是gcc/g++編譯器和ld連接器。
交叉編譯工具鏈命名規則
通常交叉編譯工具鏈命名規則爲：arch-core-kernel-system。其中：
arch：目標平臺架構，如上文提到的arm，mips等；
core：有兩種種情況，第一是CPU Core，如Cortex A8；第二是指定工具鏈的供應商。如果沒有特殊指定，則留空不填。這一組命名比較靈活，有以廠家名稱命名的，有以開發者命名的，也有以開發板命名的，或者直接是none或cross的；
kernel： 目標平臺的OS，見過的有linux，uclinux，bare-metal（無OS）；
system：嵌入式應用二進制接口（Embedded Application Binary Interface），交叉編譯工具鏈所選擇的庫函數和目標映像的規範，如gnu，gnueabi等。其中gnu等價於glibc+oabi；gnueabi等價於glibc+eabi。若不指定，則也可以留空不填；
上述命名規則並不是統一的規範，使用的時候作爲參考就行。我使用的交叉編譯工具鏈名稱爲：gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu。
獲取交叉編譯工具鏈兩個途徑：
- 直接下載知名廠家已經編譯好的工具鏈。這些編譯好的交叉編譯工具鏈一般來說更加穩定，用的人多。
- https://www.linaro.org/downloads/
- http://ftp.arm.linux.org.uk/pub/armlinux/toolchain/
- http://www.denx.de/en/Software/WebHome
- https://launchpad.net/gcc-arm-embedded
- 還有就是購買特定的嵌入式設備，對應廠家會有對應的交叉編譯工具鏈，如樹莓派
- 自己編譯交叉編譯工具鏈
這個一般不推薦，但是在無法下載到對應版本的工具鏈或者工具鏈某些c++特性不能支持等情況就需要自己根據自己的需要進行編譯。
編譯交叉編譯工具鏈的工具：
- crosstool-NG
- Buildroot
- Embedded Linux Development Kit (ELDK)
配置交叉編譯環境
獲取到對應的交叉編譯工具鏈之後，需要在主機平臺配置交叉編譯環境。
首先解壓交叉編譯工具鏈。一般工具鏈的目錄結構如下：
drwxr-xr-x 7 4096 Dec 4 19:53 aarch64-linux-gnu/
drwxr-xr-x 2 4096 Dec 4 19:55 bin/
-rw-r--r-- 1 11300 Dec 4 19:53 gcc-linaro-7.5.0-2019.12-linux-manifest.txt
drwxr-xr-x 3 4096 Dec 4 19:51 include/
drwxr-xr-x 3 4096 Dec 4 19:55 lib/
drwxr-xr-x 3 4096 Dec 4 19:37 libexec/
drwxr-xr-x 8 4096 Dec 4 19:51 share/
我們重點需要關注的是aarch64-linux-gnu和bin這兩個目錄。
【aarch64-linux-gnu】
【aarch64-linux-gnu】可能不同的交叉編譯工具鏈名稱不同，主要是平臺架構不同，其他名稱可能爲【arm-linux-gnueabihf】。根據交叉編譯工具鏈的名稱不同而不同。
這個目錄下的文件結構如下：
drwxr-xr-x 2 4096 Dec 4 19:54 bin/
drwxr-xr-x 3 4096 Dec 4 19:48 include/
drwxr-xr-x 3 4096 Dec 4 19:33 lib/
drwxr-xr-x 3 4096 Dec 4 19:55 lib64/
drwxr-xr-x 7 4096 Dec 4 19:53 libc/
在【aarch64-linux-gnu/bin】目錄下有部分交叉編譯工具，但是不全。其他幾個目錄都是必要的依賴庫和頭文件。我們重點關注的是【aarch64-linux-gnu/libc】，以後編譯的其他依賴都需要安裝在這個目錄下的usr目錄。因爲這個目錄類似於Linux系統的根目錄，文件結構如下：
drwxr-xr-x 2 4096 Dec 4 19:41 etc/
drwxr-xr-x 3 4096 Dec 4 19:55 lib/
drwxr-xr-x 2 4096 Dec 4 19:41 sbin/
drwxr-xr-x 10 4096 Dec 25 17:37 usr/
drwxr-xr-x 3 4096 Dec 4 19:41 var/
在【aarch64-linux-gnu/libc/usr】目錄下有lib和include目錄。在交叉編譯其他依賴的時候，指定的安裝目錄【–prefix】一般指定到這個目錄中。
【bin】目錄
在交叉編譯工具鏈文件夾根目錄下的【bin】文件夾是全部的交叉編譯工具。比如gcc、g++編譯器。可以在這個文件夾下執行以下編譯器二進制文件，查看下版本，看看交叉編譯器是否可用。
我們需要做的是將這個文件夾路徑添加到環境變量PATH中：
export PATH=$PATH:/path/to/your/crosscompile-toolchain/bin
開始交叉編譯
首先我們以一個傳統的例子爲例：
- 第一步編寫一個hello world程序。
#include <stdio.h>
void main()
{
printf("Hello world!!\n");
}
- 我們就像使用主機平臺gcc編譯程序一樣的過程編譯hello world，這裏以我的環境爲例：
aarch64-linux-gnu-gcc helloworld.c -o helloworld
然後會生成一個可執行程序helloworld。你直接運行的話會報以下錯誤：
-bash: ./helloworld: cannot execute binary file: Exec format error
提示可執行程序格式錯誤。這是正常的。接着我們拷貝到目標平臺上執行以下，檢測是否正確輸出“Hello world!!”。
這是基本的編譯過程，稍微複雜點的也是一樣，比如連接庫文件的時候。只不過都需要使用交叉編譯工具鏈來完成。
接下來我們講兩個複雜例子，第一個是使用cmake時的交叉編譯方式，第二個是Protobuf的交叉編譯。
使用cmake的交叉編譯方式
在原項目使用的是cmake編譯或者希望使用cmake進行交叉編譯的時候。需要有幾個變量進行定義。
set(CMAKE_SYSTEM_NAME Linux)
set(CMAKE_SYSTEM_PROCESSOR arm)
set(CMAKE_SYSROOT /home/devel/rasp-pi-rootfs)
set(tools /home/devel/gcc-4.7-linaro-rpi-gnueabihf)
set(CMAKE_C_COMPILER ${tools}/bin/arm-linux-gnueabihf-gcc)
set(CMAKE_CXX_COMPILER ${tools}/bin/arm-linux-gnueabihf-g++)
set(CMAKE_FIND_ROOT_PATH_MODE_PROGRAM NEVER)
set(CMAKE_FIND_ROOT_PATH_MODE_LIBRARY ONLY)
set(CMAKE_FIND_ROOT_PATH_MODE_INCLUDE ONLY)
set(CMAKE_FIND_ROOT_PATH_MODE_PACKAGE ONLY)
下面逐個介紹如下：
【CMAKE_SYSTEM_NAME】指定目標平臺系統名稱
【CMAKE_SYSTEM_PROCESSOR】指定目標平臺CPU架構
【CMAKE_SYSROOT】這個很重要了，這個需要填寫的是剛纔交叉編譯工具鏈根目錄下的【aarch64-linux-gnu/libc】目錄，這個目錄當時介紹的時候說它類似主機平臺Linux系統根目錄，在這裏指定的話，cmake交叉編譯中會在這個目錄下尋找安裝的其他目標平臺依賴程序。
【tools】【CMAKE_C_COMPILER】【CMAKE_CXX_COMPILER】這三個變量主要是爲了指定交叉編譯工具的gcc、g++位置。
【CMAKE_FIND_ROOT_PATH_MODE_PROGRAM】以及下面的【X_LIBRARY】【X_INCLUDE】【X_PACKAGE】三個變量都是指示CMake在執行find_X命令時的行爲。有三個可選項，分別是NEVER,ONLY,BOTH。
- NEVER表示不在你CMAKE_SYSROOT設置的目錄下進行查找；
- ONLY表示只在這個路徑下查找；
- BOTH表示先查找這個路徑，再查找全局路徑。
上面的變量有兩種方式跟原先的CMakeLists結合：
- 直接將上述幾行變量定義代碼放到原先CMakeLists的最開始處。有一點需要注意的是一定是在【project()】命令之前
- 將上述幾行變量定義代碼放到單獨的文件中，命名爲XXX.cmake，然後執行cmake命令的時候使用【-DCMAKE_TOOLCHAIN_FILE=XXX.cmake】
注：推薦第二種方式，但是第二種方式在進行交叉編譯的時候，執行cmake容易出現無限循環檢測，直到發送錯誤。
另外cmake在尋找依賴的時候一般去剛纔指定的CMAKE_SYSROOT這個目錄中找，通常是交叉編譯工具鏈的【aarch64-linux-gnu/libc】目錄。因此交叉編譯的依賴最好都安裝在這個目錄中。
Protobuf的交叉編譯方式
這裏額外介紹Protobuf的原因是，在交叉編譯二進制的時候有時候需要對應主機平臺的二進制協助，而且最好是版本一致的。Protobuf就是這樣的，還有libmysqlclient。
所以首先先編譯一個主機平臺的Protobuf，然後再開始目標平臺的編譯。如果主機平臺的Protobuf之前就有就可以直接用（版本最好一致）。
目標平臺的編譯過程：
- Protobuf的壓縮包裏有一個【config.guess】工具，可以放到目標平臺執行以下，會返回目標平臺的架構、位數和系統。如：aarch64-linux-gnu
- 然後使用如下命令開始交叉編譯,其中需要修改的是參數是【–host】【CC】【CXX】【–with-protoc】【–prefix】：
./configure --host=aarch64-linux-gnu CC=aarch64-linux-gnu-gcc CXX=aarch64-linux-gnu-g++ --with-protoc=/usr/bin/protoc --prefix=/path/to/your/toolchain/aarch64-linux-gnu/libc/usr
參數解釋：
【–host】：就是用【config.guess】獲取的；
【CC】【CXX】：交叉編譯工具鏈gcc和g++名稱；
【–with-protoc】：已經編譯好的主機平臺protoc二進制文件路徑；
【–prefix】：交叉編譯後安裝目錄。
總結
交叉編譯的入門介紹就結束了。其實主要就幾個步驟：
- 確定主機平臺和目標平臺；
- 獲取對應交叉編譯工具鏈；
- 開始交叉編譯。
其實第三步還是比較複雜的，不同的軟件各有不同，但是也是有一些共通的地方，就是：
- 傳入交叉編譯工具的名稱，如gcc和g++，其他還可能需要ld等。
- 傳入目標平臺的架構、系統等詳細信息，因爲交叉編譯的時候，軟件本身無法去檢測平臺的特性，需要明確傳入。
- 安裝目錄（可選）
主要是這些參數的傳入方式不同，需要具體用到的時候具體去查一下。
其他語言
上文整體上是介紹C/C++ 爲主要方向的交叉編譯過程。其實還有很多其他語言也是需要交叉編譯的，比如go,rust。基本的理念是一致的，就是在編譯的時候告知目標平臺架構。
go語言的交叉編譯比較簡單，主要涉及GOOS和GOARCH兩個參數，GOOS設置目標平臺操作系統，GOARCH設置目標平臺架構：
CGO_ENABLED=0 GOOS=linux GOARCH=arm64 go build
這裏不展開講了，大家遇到的話可以針對性的查。
以上就是全部內容了，覺得有用就點贊啊！！！
