TKEStack适配ARM架构之路

2021-02-18 15:59:02 浏览数 (1)

1. 前言

腾讯TKEStack作为面向私有云业务场景的开源容器平台，应对的场景也会比较多样，比如国产服务器有一大阵营是基于arm架构的，那在国产化趋势下，客户的服务器架构可能会出现x86和arm混布在一起的情况；再比如随着IoT物联网的来临，以树莓派为代表的智能硬件上使用容器服务也会成为一种趋势。这意味着TKEStack单纯在x86服务器上运行是远远不够的，对于arm架构的支持，势在必行。

如何支持arm架构

简单来说，就是重新适配arm 架构：对于可执行文件，需要重新编译；对于容器镜像，需要重新构建。

因为不同架构的指令集不一样，在一个架构下编译并生成的二进制可执行文件，包含的是这个架构下的指令，直接将这个可执行文件放到另一架构上运行，会报cannot execute binary file类似错误。对于容器镜像，跨架构执行则会报：standard_init_linux.go:211: exec user process caused "exec format error"类似错误。如果平时遇见了上述错误，那一定是执行了架构不匹配的文件或容器镜像。

问题挑战

常规适配arm架构的做法就是在arm服务器上，把应用程序的编译、构建、打包的流程都走一遍，然后再将生成的arm组件包，跟x86的组件包分别命名，再打包一起交付给客户，然后部署时，由客户选择安装x86的组件或是arm组件。

常规流程不仅需额外引入一台arm服务器，在上面再搭建一套CI/CD流程，并且由于arm机器还未普及，该流程也限制了TKEStack开发人员及开源社区的参与。另外x86组件跟arm组件分别命名，这导致使用到这些组件的代码都要仔细重构或校验，以确保代码里使用了正确的版本，这也给代码维护人员带来了负担。

经过调研之后，TKEStack采取了不改变原本代码结构、构建流程的方式下，做到跨平台交付多架构组件的目标：通过充分利用容器技术及虚拟化技术，最小化了TKEStack适配arm（及未来其他架构）的改动量，也减轻了后续维护多架构的工作量。

2. 适配准备：组件梳理

TKEStack对外交付的是一个installer安装包，里面除了TKEStack本身组件外，还包含了搭建一个Kubernetes集群所需的依赖：docker、kubeadm、k8s组件。具体如下图所示：

图一：TKEStack组件梳理图一：TKEStack组件梳理

从组件梳理图可以看出，TKEStack的自研组件已经全量容器化了，所以TKEStack适配arm的核心就在于如何能够以统一的方式构建多个架构（x86 / arm）的容器镜像，并且在使用到这些容器镜像的地方，都能最小化代码改动，不因引入多个架构而导致部署容器时使用到错误的版本。

3. 容器技术：docker manifest list

在多个架构（x86 / arm）或者多个平台上（linux_amd64 / windows_amd64）上使用容器镜像时，就不得不提Docker公司在2017年9月提出的特性：docker manifest list。一份manifest list可以理解成是多个容器镜像汇总在一起的清单列表：清单里列明了每个镜像适用的平台或者架构，以及用于找到该镜像的哈希值。

如下图中间部分所示，命令 docker manifest inspect app:v1 查看了容器镜像 app:v1 的清单列表，得知在 linux/amd64（x86架构）平台上，app:v1 对应的容器镜像应为哈希 sha256:xxx 指向的镜像，而在 linux/arm64/v8（arm架构）平台上，则应对应哈希 sha256:yyy 指向的镜像。所以当客户端向镜像仓库发起请求，准备拉取 app:v1 镜像时，客户端会根据镜像仓库返回的清单列表，从中选出架构匹配的镜像，再去拉取相应的镜像。也就是说，从用户的角度来看，不用担心架构的差异，服务端会为用户屏蔽掉架构的区别。

图二：docker manifest list解析过程图二：docker manifest list解析过程

对于TKEStack，只要TKEStack在构建完多架构容器镜像后，并推送重命名后的x86架构容器镜像（带amd64后缀，如app-amd64:v1）跟arm架构容器镜像（带arm64后缀，如app-arm64:v1）至镜像仓库后，再生成一份不带架构后缀（如app:v1）的清单列表 manifest list指向多架构镜像，就可以在用户无感知的情况下，既能实现原本x86的机器正常拉取amd64的镜像，也能让新增的arm的机器拉取到arm64的镜像：

图三：docker manifest list构建及推送过程图三：docker manifest list构建及推送过程

到此，支持多架构后最小化代码改动的目标已有了方案：通过额外引入一层清单列表 manifest list，屏蔽多架构信息，让原本的代码以及用户在使用到容器镜像时，不因引入多个架构镜像而混乱。

4. 虚拟化及内核技术：QEMU 和 binfmt_misc

目标之二：保持原本容器镜像的构建流程，不因支持多架构后，因额外引入硬件平台要求，而限制了开源社区的参与。想要达到这个目标，就得实现跨平台构建容器镜像：在已普及的x86平台上，编译构建适用arm平台的容器镜像。

QEMU可以模拟很多平台，所以只要想办法在构建跨平台的容器镜像时，将其他平台的可执行文件传递给QEMU，由QEMU模拟对应的平台并执行，就可以达到跨平台构建的目的。而Linux 内核中的 binfmt_misc功能，刚好能将任意类型的可执行文件，传递至指定的用户态应用程序运行。所以只要在x86平台上安装QEMU模拟器，并在binfmt_misc中注册QEMU，让Linux遇到其他平台的执行文件时就传递给QEMU，这样就可以实现跨平台执行arm指令了。

5. 整体解决方案

通过上述容器技术及虚拟化技术后，TKEStack适配arm架构的整体方案如下：

  • （1）预先安装支持多架构的QEMU模拟器，并将QEMU注册到内核binfmt_misc中，然后在构建容器镜像时，通过--platform参数指定需要构建的目标架构，比如 docker build --platform linux/amd64 用来构建x86架构的镜像，docker build --platform linux/arm64 用来构建arm架构的镜像。如此就可以在原本自动构建流程里，生成跨平台容器镜像。
  • （2）构建流程里生成的容器镜像，镜像名严格按照架构信息打上后缀区分开来（app-amd64:v1 / app-arm64:v1），并逐个推送至镜像仓库后，再额外创建一个不带架构后缀的清单列表manifest list（app:v1），指向这些带了架构后缀的镜像，用以屏蔽多架构信息，不因镜像名含有架构后缀而改变使用体验。

这套方案的通用代码已经提取放到github上了：https://github.com/Shangru-WU/multi-arch-example。github上的示例主要有两个操作:（1）make image构建多平台镜像,（2）make push构建多平台镜像后，再推送镜像及manifest list至镜像仓库。

makefile代码解析

代码语言：javascript复制
.PHONY: docker.buildx.install
docker.buildx.install:
	@$(ROOT_DIR)/build/lib/docker-buildx.sh docker_buildx:multi_arch_support

.PHONY: image
image: docker.buildx.install
	VERSION=$(VERSION) $(ROOT_DIR)/build/lib/image-build.sh image_build:build

.PHONY: push
push: docker.buildx.install
	VERSION=$(VERSION) $(ROOT_DIR)/build/lib/image-build.sh image_build:push

make image跟make push操作都会依赖于docker.buildx.install，docker.buildx.install主要是完成跨平台构建镜像的准备工作。这里选择docker buildx而不是直接使用原生docker build，是因为buildx将会是下一代镜像构建的标准。buildx兼容现有docker build的特性，并额外对docker build进行优化。比如docker build在构建镜像时，只会按着Dockerfile上面步骤一步步串行执行下来。但buildx会尝试分析Dockerfile上的哪些步骤并无相互依赖，然后并行执行这些步骤，以提升构建速度。

docker buildx安装解析

buildx的准备工作全在$(ROOT_DIR)/build/lib/docker-buildx.sh脚本里，主要是判断docker版本，docker版本需大于等于19.03或者docker api版本大于等于1.40，然后下载buildx插件并启用docker实验特性export DOCKER_CLI_EXPERIMENTAL=enabled，再紧接着就是安装QEMU多架构模拟器以及注册到内核。注册过程也会检查内核版本，内核版本需大于等于4.8方能顺利注册。

镜像构建解析

通过docker buildx完成跨平台构建镜像的准备工作后，构建镜像流程就比较简单了，主要是通过 docker buildx build --platform 指定目标平台进行构建：

代码语言：javascript复制
PLATFORMS=${PLATFORMS:-"linux_amd64 linux_arm64"}
for platform in ${PLATFORMS}; do
	os=${platform%_*}
	arch=${platform#*_}
	image_plat="${os}/${arch}"
	image_name="${DES_REGISTRY}-${arch}:${VERSION}"
	echo "===========> Building docker image ${image_name}"
	docker buildx build --platform ${image_plat} --load -t ${image_name} -f ${ROOT_DIR}/build/docker/Dockerfile ${ROOT_DIR}
done

示例代码里Dockerfile采用的是多阶段构建的方式，这也是为了达到最小化代码改动而引入的：第一阶段构建直接在Dockerfile里执行make build，意思就是在原平台怎么编译代码的，就算是跨平台也采用同样的编译流程，保留原本make build的方式。编译完后再把编译结果拷贝至最后的构建的容器镜像。

代码语言：javascript复制
FROM golang:1.15.8 AS builder
ARG TARGETPLATFORM
RUN echo "building for ${TARGETPLATFORM}"
WORKDIR ${WORKDIR}
COPY . .
RUN make build
#####################################
FROM alpine:3.12.3
COPY --from=builder ${WORKDIR}/bin/main /app/
ENTRYPOINT ["/app/main"]

镜像推送解析

docker buildx build执行完后，多平台容器镜像已经生成，后续推送到镜像仓库时，则额外执行了docker manifest create及docker manifest annotate操作，为多平台镜像创建个manifest list，并把两者关联起来。最后再执行docker manifest push将清单列表也推送至镜像仓库。

代码语言：javascript复制
docker push ${image_name}
docker manifest create --amend ${manifest_name} ${image_name}
docker manifest annotate ${manifest_name} ${image_name} 
	--os ${os} --arch ${arch} ${variant}
docker manifest push --purge ${manifest_name}

 至此通用的构建流程就走完了：（1）不改变原本make build方式，只是在外层多加了跨平台构建；（2）不改变原本拉取镜像方式，只是在推送镜像时多加了层清单列表manifest list。

6. 小结

容器化技术确实带来了很多很多便利，在一开始适配arm架构的过程中，谁也不曾料到，原来最后可以不对原本流程做任何重构的，只需要在外层引入新的技术便可。这也对那些已经无人维护，但又要进行国产化适配的代码带来了希望：在不入侵原有体系的情况下，达到适配的目的。即便需要进行适配、编译、调试，也可以在本地通过跨架构的方案实现，而不用一遍遍的来回将代码拷贝至arm编译机调试。

当然本文主要是作为一个大方向的通用方法论，毕竟实际过程中会遇见很多意料之外的事。没有任何方案能十全十美的，在多架构适配过程中，我们也遇见过代码里的系统调用在arm平台上不支持，需要改整段代码的情况，或者遇见在UOS（统一操作系统）里，有些系统信息不是按照标准方式返回的，需要额外绕过的情况。这种情况只能是见一个处理一个，但整体思路依旧是保持着适配时最小化改动这样的目标前行。

相关代码指引：https://github.com/Shangru-WU/multi-arch-example

arm 容器镜像服务 容器 虚拟化

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