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Linux to Windows代码移植技术路线

MinGW

MinGW/MinGW-W64是用Windows原生系统API实现的，在Windows上运行的GCC编译工具链，可以编译出Windows原生应用程序。

MinGW编译工具链的生态位和微软官方的MSVC类似。

优点

• MinGW编译出的程序有能力直接在Windows系统中运行，不依赖外部库文件，并且运行效率很高。

缺点

• MinGW工具链遵循Windows系统的ABI，有些定义与行为和Linux系统不一致。如long数据类型的字节长度。
• MinGW不支持许多Linux的系统头文件与系统调用，需要修改代码，把Linux系统调用翻译为Windows系统调用。

注意事项

MinGW和MSVC / VS依赖的C标准库相同，均为MSVCRT.DLL / UCRT.DLL。这意味着

• 使用微软的MSVC或VS构建C/C++程序时，可以直接链接MinGW构建的C库。
• 使用MinGW构建C/C++程序时，可以直接链接MSVC或VS构建的C库。

MinGW和MSVC / VS依赖的C++标准库不同，且两者的函数符号命名方式不一致，这意味着

• 使用微软的MSVC或VS构建C++程序时，不能链接MinGW构建的C++库。
• 使用MinGW构建C++程序时，不能链接MSVC或VS构建的C++库。

代表项目

• MSYS2
  • https://www.msys2.org/
• MinGW-W64
  • https://www.mingw-w64.org/

Cygwin

从概念上来说，Cygwin是一个在Windows上运行的POSIX环境（可以理解为类Linux环境）。Cygwin为用户提供了各种POSIX系统调用和系统头文件，用户可以像使用Linux系统一样使用Cygwin。

从实现上来说，Cygwin库提供了一个中间层，用来把POSIX系统调用翻译成Windows系统调用。

传统的Linux发行版由“Linux系统内核”与“发行版定制的外围软件”这两部分组成。某种程度上，也可以把Cygwin理解为一个特别的Linux发行版，它的内核为“被中间层包裹的Windows内核”，外围软件为“Cygwin定制的外围软件”。

优点

• Cygwin提供了一个POSIX兼容的环境，因此Linux代码无需经过太多修改，即可在Cygwin中进行编译。
• 不同于MinGW，Cygwin使用LP64数据模型。long类型大小为8个字节，和Linux系统保持一致。

缺点

• 编译出的可执行文件必须动态依赖于Cygwin动态库（作为中间层翻译）。
• 由于引入了中间层，编译出的可执行文件运行效率低下。
• Windows的多线程/进程实现逻辑与Linux有很大差别，使用Cygwin编译出的多线程/进程程序，运行时可能会出现问题。

注意事项

程序无法同时链接到Cygwin动态库与 MSVCRT.DLL / UCRT.DLL，二者互斥。这意味着

• 你使用Cygwin开发的程序库，只能用于同样基于Cygwin开发的程序，不能被MinGW / MSVC / VS开发的程序使用。

代表项目

• Cygwin
  • https://www.cygwin.com/
• MSYS2（其中的MSYS环境）
  • https://www.msys2.org/

模拟器/虚拟机

通过动态二进制翻译技术，模拟出指定架构的处理器的行为。

优点

• 项目可以在Linux系统中事先构建好。项目程序运行时，只需要为模拟器/虚拟机提供构建好的Linux原生二进制文件与其所需的运行时环境。

缺点

• 不支持某些系统调用或指令。
• 运行效率较低。
• 该技术路线较为复杂，涉及环节多，不稳定因素多。

代表项目

• QEMU（在MSYS2中安装与运行）
  • https://www.qemu.org/
  • https://packages.msys2.org/base/mingw-w64-qemu
• jart/blink（在Cygwin中编译、安装与运行）
  • https://github.com/jart/blink

Cosmopolitan

Cosmopolitan项目包含了一套Cosmopolitan C标准库和一套Cosmocc编译工具链。其编译出的二进制文件符合POSIX标准，并且可以原生运行在多个硬件架构（AMD64 + ARM64）的多种平台上（Linux + Mac + Windows + FreeBSD + OpenBSD + NetBSD + BIOS）。Cosmopolitan让C语言拥有了“一次编译，到处运行”的能力。

优点

• 只需要一套源码，使用Cosmopolitan编译出二进制文件，这些二进制文件可以在多个硬件架构和多个平台上原生运行。目前Cosmopolitan官方已经成功构建了Bash、Python、SQLite3、Vim、Lua等许多项目。
• 遵循System V ABI，使用LP64数据模型。

缺点

• 不支持某些系统调用或指令。
• 该项目很年轻，仍在积极开发中。目前主要支持使用autotools作为构建工具的项目。

代表项目

• jart/cosmopolitan
  • https://justine.lol/cosmopolitan/index.html
  • https://github.com/jart/cosmopolitan

代码移植技巧

对于MinGW技术路线，下面列举了一些常见的Linux系统头文件，以及它们的Windows实现或对应物。

使用的C库为微软实现的MSCVRT或UCRT，C++库为MinGW实现的libstdc++。此外，还需要使用到Windows的系统API。

微软官方 UNIX代码移植指南

UNIX Code Migration Guide | Microsoft Learn

sys/resource.h

• https://github.com/JellyBrick/sys-resource-win
• https://github.com/openvswitch/ovs/blob/master/include/windows/sys/resource.h
• https://github.com/openvswitch/ovs/blob/master/lib/getrusage-windows.c

sys/mman.h

• https://github.com/alitrack/mman-win32

dirent.h

• https://github.com/tronkko/dirent

dlfcn.h

• https://github.com/dlfcn-win32/dlfcn-win32
• https://packages.msys2.org/package/mingw-w64-ucrt-x86_64-dlfcn

execinfo.h

• https://github.com/ianlancetaylor/libbacktrace

性能对比

• 硬件
  • 处理器: 英特尔 酷睿 i5-7300HQ @ 2.50GHz 四核四线程
  • 内存: 16GB DDR4 2400MHz ( 8GB + 8GB )
• 操作系统
  • 名称：Microsoft Windows 11 家庭版 Insider Preview
  • 版本：10.0.27749 Build 27749
• MSVC
  • VS构建工具版本：Visual Studio Build Tools 2022 17.12.3
  • MSVC版本：MSVC v143 - VS 2022 C++ x64/x86 build tools
• WSL2 Ubuntu 20.04.2 LTS
  • 内核版本（uname -r）：5.15.167.4-microsoft-standard-WSL2
  • GCC版本（gcc --version）：9.4.0
• MSYS2 UCRT64
  • 内核版本：3.5.4-0bc1222b.x86_64
  • GCC版本：14.2.0
• Cygwin
  • 内核版本：3.4.9-1.x86_64
  • GCC版本：11.4.0

google/benchmark

• 项目链接：https://github.com/google/benchmark
• 测试时的提交节点：d5fad6b
• 依赖：CMake >= 3.10

# 克隆最新的仓库
git clone https://github.com/google/benchmark.git

# 进入项目的根目录
cd benchmark

# 创建构建目录"build/"
cmake -E make_directory "build"

# 配置项目的CMake参数；下载依赖；生成构建系统的相关文件（如Makefile）
cmake -E chdir "build" cmake -DBENCHMARK_DOWNLOAD_DEPENDENCIES=on -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release ../
# 对于MSYS2 UCRT64环境，在下一步构建时，可能会触发GCC的"maybe-uninitialize"提示。若要顺利进行构建，请执行以下被注释掉的命令，将BENCHMARK_ENABLE_WERROR设置为off
# cmake -E chdir "build" cmake -DBENCHMARK_DOWNLOAD_DEPENDENCIES=on -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release -DBENCHMARK_ENABLE_WERROR=off ../

# 进行多线程构建，生成Release版本的二进制文件
cmake --build "build" --config Release -j 4

# 运行一系列测试，观察测试是否成功，观察完成测试所需的时间
cmake -E chdir "build" ctest --build-config Release

冷启动连续运行10次的耗时记录（单位：秒）

MSVC	WSL2 Ubuntu 20.04	MSYS2 UCRT64	Cygwin
45.67	12.13	24.73	23.06
43.59	11.60	23.15	FAILED**
FAILED*	11.62	24.56	24.51
44.00	11.69	19.17	24.40
52.11	11.72	21.47	22.54
45.78	11.64	18.05	24.98
46.15	11.62	19.40	FAILED**
45.02	11.68	17.95	21.45
43.57	11.64	FAILED**	23.62
43.82	11.52	18.14	34.55

*FAILED: 62 - user_counters_tabular_test
**FAILED: 67 - complexity_benchmark