使用Go语言交叉编译开发嵌入式Linux应用程序

Posted 2022-10-03 Naisu Xu

文章目录

• 目的
• 基础说明
• 编译生成嵌入式Linux应用程序
• 二进制文件瘦身
• 与C语言混合进行开发
• 总结

目的

Go语言非常适合用来开发存储空间不紧张的嵌入式Linux设备应用程序，可以在性能需求和开发速度上找到一个不错的平衡点。这篇文章将介绍使用Go语言来开发嵌入式Linux应用程序相关内容。

基础说明

Go语言的基础说明可以参考：《Go语言基础入门》

Go语言刚开始的时候是基于C语言的，后来慢慢的脱离C独立发展了。到现在版本中Go语言底层已经完全脱离C语言了，运行时、编译器和链接器等主要都是由Go语言编写的了。

Go的编译器（Go compiler）很厉害，对常见平台和架构支持比较全面，你可以在任何可以安装Go开发环境的平台上直接编译出其它平台上的可执行文件，所需要的操作只是调整下Go的环境变量而已。

可以使用 go tool dist list 命令来查看Go支持的目标平台和架构，也可以使用 go tool dist list -json 命令查看更详细的信息：

可以看到Go基本可以覆盖目前常用的嵌入式Linux平台架构了。

编译生成嵌入式Linux应用程序

这里我用的开发平台与架构是 Window 10 基于x64处理器 ；目标平台是NUC980，其使用ARMv5指令集，没有硬件浮运算单元。目标平台只是进行了些基础的设置，相关信息如下：
《新唐NUC980使用记录：访问以太网（LAN8720A） & 启用SSH》

要编译生成不同平台架构嵌入式Linux应用程序只要设置相关的环境变量即可，可以使用 go env 命令来查看当前环境变量设置。当然目前我们关心的主要是下面两个：

• GOOS 目标平台操作系统；
• GOARCH 目标平台处理器架构；

另外对应 arm 架构而言还需要设置 GOARM 变量，这个变量主要和具体架构细分有关：

Architecture	Status	GOARM value	GOARCH value
ARMv4 and below	not supported	n/a	n/a
ARMv5	supported	GOARM=5	GOARCH=arm
ARMv6	supported	GOARM=6	GOARCH=arm
ARMv7	supported	GOARM=7	GOARCH=arm
ARMv8	supported	n/a	GOARCH=arm64

另外 Linux内核必须使用 EABI ，详细内容可以参考下面链接：
https://github.com/golang/go/wiki/GoArm

针对我这里的目标平台可以使用下面命令来设置全局的Go环境变量：

go env -w GOOS=linux
go env -w GOARCH=arm
go env -w GOARM=5

设置环境变量后正常编译程序就可以生成目标平台的二进制程序了。

我一般不喜欢设置全局环境变量，更加喜欢临时指定目标平台进行编译：

GOOS=linux GOARCH=arm GOARM=5 go build

需要注意的是Windows上命令提示符或者PowerShell中没法用上面这个方式设置，我这里因为安装过git，所以在 git bash 中使用。

下面是编译演示：

下面是在目标平台上运行上面编译产生的程序：

从上面演示中可以看到使用Go来开发嵌入式Linux应用程序是非常方便的，相比传统的使用C/C++来开发，可以省去编译工具链的设置等环节，开发平台的选择也变多了（比如这里就是在Windows上进行开发的）。

除了上面优点外，使用Go还有一个非常大的有点。传统的C/C++方式如果用到第三方的库很多时候都需要手动一个个从网上去下载；如果这些库依赖别的库，可能还需要另外去下载；不同库之间对版本还有要求，这些操作非常繁琐，还容易出问题。在Go中这就非常方便了，所有第三方库你只管直接写代码用，只要一条 go mod tidy 命令就会自动处理所有的第三方模块下载等相关事务。

当然用Go来开发也是有缺点的，因为Go默认是静态编译的，所以编译出来的二进制文件很大，比如上面的程序就有1.8M大小。不过静态编译有些时候也是优点，不用处理环境依赖等问题。

二进制文件瘦身

前面说Go默认是静态编译的，所以编译出来的二进制文件很大（当然Go也可以动态编译，不过那样用起来就麻烦了），我们可以稍作处理在一定程度上减小程序大小。最简单的就是设置编译选项来减少某些内容来减少程序大小：

go build -ldflags="-s -w"
# -s：忽略符号表和调试信息
# -w：忽略DWARFv3调试信息，使用该选项后将无法使用gdb进行调试

# 具体到这里可以使用下面命令
# GOOS=linux GOARCH=arm GOARM=5 go build -ldflags="-s -w"

如果说上面方式只是稍微减小了程序大小，那么下面这个方法就会大大减小程序大小：
使用UPX工具：https://github.com/upx/upx UPX - the Ultimate Packer for eXecutables

下载对应开发平台上可用的程序（比如我这里下载win64的），然后使用该程序对二进制文件进行处理：

# 压缩file文件
upx file

# 指定压缩级别压缩file文件
upx [压缩级别] file
# 压缩级别可选 -1、-2、-3 ... -8、-9、--best 越后面的压缩率越高
# 对于小于512 KiB的文件默认压缩级别为-8，即 upx -8 file ，否则默认压缩级别为-7

# 解压缩经过压缩的文件
# upx -d file

下面是使用演示：

可以看到这个方式程序大小减小非常明显。

upx的工作原理是将二进制文件进行压缩，然后在头部加入解压缩指令，所以体积上可以减小非常多，不过换来的代价是程序启动的时候解压会有少许时间消耗。另外upx也有其可适用的目标平台，详细内容可以参考其自带的文档。

与C语言混合进行开发

嵌入式Linux应用程序有时候避免不了需要使用C语言操作有些功能，Go本身也是可以与C一起工作的：《Go语言与C语言相互调用》

如果与C语言混合进行开发的话C语言部分就必须使用对应的交叉编译工具链来编译了。Go中相关的几个环境变量如下：

• CGO_ENABLED =1 表示使用C语言；
• AR 打包链接器；
• CC C编译器；
• CXX C++编译器；

可以使用 go env -w XXX=xxx 来设置Go的全局环境变量，也可以编译时临时设置：

# 需要注意的是\\后不能有空格
GOOS=linux \\
GOARCH=arm \\
GOARM=5 \\
CGO_ENABLED=1 \\
AR=arm-buildroot-linux-uclibcgnueabi-ar \\
CC=arm-buildroot-linux-uclibcgnueabi-gcc \\
CXX=arm-buildroot-linux-uclibcgnueabi-g++ \\
go build

下面是个简单的演示：

我的交叉编译工具链是 《新唐NUC980使用记录：访问以太网（LAN8720A） & 启用SSH》 中的版本，所以就在该文章的开发环境中进行

总结

总体来说如果只是用Go语言来开发嵌入式Linux应用程序是比较方便的，可以比C/C++来开发效率上高蛮多。如果项目中混合使用了C/C++那问题也不大。基本上除非是目标设备的存储空间非常小，不然的话使用Go语言来开发嵌入式Linux应用程序还是值得尝试的。