[box64] 解决ARM64运行x86_64跨平台兼容性 | 机器架构配置

链接：Box86 / Box64 – Linux Userspace x86 and x86_64 Emulator with a Twist

没错…又是为了玩游戏看的代码 或许有人问博主博主泥这三天没看项目代码干什么去了 玩游戏去了…😗

前文传送：

[游戏设计原理_1] 对称性和同步性 | 合作与对抗 | 公平 | 反馈循环

[游戏实时地图] 地图数据 | 兴趣点数据 | 虚幻引擎SDK接口

[shad-PS4] Vulkan渲染器 | 着色器_重新编译器 | SPIR-V 格式

…more (随手贴了三篇，并没有什么规律

不多说了 我们来看这个项目 (明天的话我应该会去尝试fix一个issue，要是成功了窝就写篇文章 失败了就当没做过…

docs：box64

box64是一个用于==弥合不同CPU 架构之间的差距==的项目

通过智能处理 C 源文件来实现这一目标，以生成专用的包装器代码。这些包装器充当中间层，使为一个系统构建的应用程序能够在另一个系统上无缝执行，有效地促进跨架构仿真。

可视化

章节

1. 机器架构配置
2. C 类型系统表示
3. 日志记录和错误报告
4. 预处理器指令处理
5. 宏系统
6. C 代码解析
7. 包装器代码生成逻辑

(后续章节包括这篇文章的.md博客，都更新在github下了🤗)

第 1 章：机器架构配置

欢迎来到探索 Box64 内部工作原理之旅的第一章

Box64 是一个令人惊叹的工具，允许我们在 ARM64 计算机（如树莓派或 Apple Silicon Mac）上运行为 x86_64 计算机（如大多数台式 PC）设计的应用程序。为了实现这一魔法，Box64 需要理解这些截然不同的计算机架构之间的细微差异。

挑战：不同的计算机架构

想象一下我们有一个蛋糕的配方。这个配方假设我们有特定的烤箱、某些量杯和标准尺寸的配料。现在，如果我们试图在一个完全不同的厨房中使用该配方会怎样？也许烤箱的加热方式不同，我们的量杯尺寸不同，或者某些配料具有意想不到的特性。我们需要一个指南来将原始配方转换到我们的新厨房。

在计算机世界中，"CPU 架构"就像那个厨房。它定义了计算机大脑（CPU）如何工作、如何存储信息以及如何执行计算的基本规则。Box64 正面应对这一挑战：它需要在另一个"厨房"（例如 ARM64）中运行为一个"厨房"（例如 x86_64）编写的程序。

Box64 通过"机器架构配置"解决的核心问题就是这种转换。它需要知道程序构建时原始架构的确切"规则"，即使在不同的主机架构上运行也是如此。

用例：long double的大小是多少？

让我们考虑一个常见的编程任务：查找数据类型的大小。在 C 编程中，我们可能会使用sizeof(long double)来查看long double数字在内存中占用多少字节。

问题在哪里？这个大小不是固定的

• 在较旧的 x86（32 位）系统上，long double可能是 12 字节。
• 在现代 x86_64（64 位）系统上，它通常是 16 字节。
• 在 ARM64 系统上，它也通常是 16 字节，但其内部结构可能略有不同。

如果 Box64 在 ARM64 机器上运行 x86_64 程序，并且该程序请求sizeof(long double)，Box64 必须报告16 字节，而不是 ARM64 的原生大小（即使在这种特定情况下它们恰好相同）。它必须模拟目标x86_64 系统的行为。这对于正确的程序执行至关重要。

Box64 如何管理架构规则

Box64 使用称为"机器架构配置"的抽象来跟踪这些架构规则。就像为它需要支持的每种 CPU 类型提供详细的说明手册。

machine_t蓝图

Box64 将这些规则存储在一个名为machine_t的特殊结构中

将machine_t视为特定 CPU 架构的"配置文件"或"数据表"。每个配置文件都包含关键特征。

让我们看一下来自wrapperhelper/src/machine.h的这个蓝图

// wrapperhelper/src/machine.htypedefstructmachine_s{size_tsize_long;// 'long' 整数的大小（例如，4 或 8 字节）size_talign_longdouble;// 'long double' 的内存对齐size_tsize_longdouble;// 'long double' 的大小（例如，12 或 16 字节）size_talign_valist;// 可变参数列表的内存对齐size_tsize_valist;// 可变参数列表的大小_Boolhas_int128;// 此架构是否支持 128 位整数？_Boolunsigned_char;// 'char' 默认是无符号的吗？// ... 其他架构细节 ...}machine_t;

这个machine_t结构保存数值，这些数值定义了基本数据类型和其他 C 语言构造在特定 CPU 架构上的行为方式。例如，size_longdouble告诉 Box64 该特定机器的long double应该有多大。

Box64 如何使用machine_t配置文件

当 Box64 遇到它试图理解的程序中的类型（如我们的long double示例）时，它会查询目标架构的machine_t配置文件。这确保 Box64 完全按照原始编译器的方式计算大小和内存布局，保持兼容性。

(还是我们再加一层的 抽象统一思想)

validate_type函数（我们稍后会简化并看到）是应用这些架构规则的主要位置之一

负责根据所选的machine_t配置文件确定每个 C 类型的正确大小和对齐。

逐步：获取long double大小

让我们追踪 Box64 如何为 x86_64 程序确定long double的大小：

1. 程序请求：x86_64 程序的代码通过 Box64 运行时，到达需要知道sizeof(long double)的点。
2. Box64 解析器：Box64 的内部解析器（读取 C 代码结构）拦截此请求。它知道它正在处理 x86_64 程序。
3. C 类型系统：然后解析器向 Box64 的 C 类型系统表示（负责理解 C 数据类型）询问特定于 x86_64 架构的long double的详细信息。
4. 机器配置：C 类型系统反过来查询"机器架构配置"（我们的machine_t配置文件）以获取 x86_64 配置文件的size_longdouble和align_longdouble值。
5. 数据检索：machine_x86_64配置文件提供其特定值（例如，大小为 16 字节，对齐为 16 字节）。
6. 结果返回程序：然后 Box64 将这个 16 字节的大小提供回正在执行的 x86_64 程序，确保它的行为就像在原生 x86_64 机器上运行一样。

底层实现：实现机器配置

Box64 为它支持的架构预定义了这些machine_t配置文件。让我们看看这在代码中是如何完成的。

声明机器配置文件

在wrapperhelper/src/machine.c中，我们会找到每个支持的架构的全局变量：

// 简化自 wrapperhelper/src/machine.cmachine_tmachine_x86_64;// 64 位 x86 架构的配置文件machine_tmachine_x86;// 32 位 x86 架构的配置文件machine_tmachine_aarch64;// 64 位 ARM 架构的配置文件

这些是准备填充架构规则的空"数据表"。

初始化配置文件

当 Box64 启动时，init_machines函数用每个架构的正确值填充这些machine_t变量。注意 x86 和 x86_64 之间long double的不同值！

// 简化自 wrapperhelper/src/machine.cintinit_machines(size_tnpaths,constchar*const*extra_include_path){// ... x86_64 的设置 ...#defineCUR_MACHINEx86_64machine_x86_64.size_long=8;machine_x86_64.align_longdouble=16;machine_x86_64.size_longdouble=16;// x86_64 long double 是 16 字节machine_x86_64.align_valist=8;machine_x86_64.size_valist=24;machine_x86_64.has_int128=1;// x86_64 有 128 位整数// ... 包含路径设置 ...#undefCUR_MACHINE// ... x86 的设置 ...#defineCUR_MACHINEx86machine_x86.size_long=4;machine_x86.align_longdouble=4;machine_x86.size_longdouble=12;// x86 long double 是 12 字节！machine_x86.align_valist=4;machine_x86.size_valist=4;machine_x86.has_int128=0;// x86 通常没有 128 位整数// ... 包含路径设置 ...#undefCUR_MACHINE// ... aarch64 的设置 ...#defineCUR_MACHINEaarch64machine_aarch64.size_long=8;machine_aarch64.align_longdouble=16;machine_aarch64.size_longdouble=16;// AArch64 long double 是 16 字节machine_aarch64.align_valist=8;machine_aarch64.size_valist=32;machine_aarch64.has_int128=1;// AArch64 有 128 位整数machine_aarch64.unsigned_char=1;// 'char' 在 AArch64 上默认是无符号的// ... 包含路径设置 ...#undefCUR_MACHINEreturn1;// 成功}

这个代码片段清楚地显示了特定属性（如long double的大小或是否支持__int128）如何为每个架构进行不同配置。这种精确配置对于准确仿真至关重要。还要注意char在 x86/x86_64 上默认是有符号的，但在 AArch64 上是无符号的。

使用validate_type应用配置

validate_type函数是使用这些配置值的地方。当 Box64 需要确定类型的实际大小和对齐时，它会将目标架构的machine_t配置文件传递给此函数。

// 简化自 wrapperhelper/src/machine.cintvalidate_type(loginfo_t*loginfo,machine_t*target,type_t*typ){// ... 检查和验证 ...// 此 switch 语句处理不同的 C 内置类型switch(typ->typ){caseTYPE_BUILTIN:switch(typ->val.builtin){// ... char、int、float 等的情况 ...caseBTT_LONGDOUBLE:// 处理 'long double' 时caseBTT_ILONGDOUBLE:// 直接从目标机器的配置文件获取大小和对齐typ->szinfo.align=target->align_longdouble;typ->szinfo.size=target->size_longdouble;return1;// 成功验证caseBTT_VA_LIST:// 同样适用于 va_listtyp->szinfo.align=target->align_valist;typ->szinfo.size=target->size_valist;return1;caseBTT_INT128:// 检查 128 位整数支持caseBTT_SINT128:caseBTT_UINT128:if(!target->has_int128){// 如果目标机器没有 __int128log_error(loginfo,"target does not have type __int128\n");typ->szinfo.align=typ->szinfo.size=0;return0;// 错误}// 如果有，继续设置 size/align/* FALLTHROUGH */caseBTT_FLOAT128:caseBTT_IFLOAT128:typ->szinfo.align=typ->szinfo.size=16;return1;// ... 其他类型 ...}// ... 其他类型类别（数组、指针、结构、函数）...}return0;// 失败}

这个代码片段演示了validate_type如何直接使用target->align_longdouble和target->size_longdouble值来为long double类型分配正确的大小和对齐，确保仿真程序看到它期望的大小。它还检查目标架构是否甚至支持像__int128这样的类型。

预处理器定义

除了machine_t结构之外，Box64 还提供特定于架构的预处理器定义。这些就像编译器使用的全局常量。Box64 包含特定于每个架构的文件，如stdc-predef.h（例如，wrapperhelper/include-override/x86_64/stdc-predef.h）。这些文件定义了通常在原生系统上存在的宏。

这里是一瞥：

// 简化自 wrapperhelper/include-override/x86_64/stdc-predef.h#define__SIZEOF_LONG__8#define__SIZEOF_POINTER__8#define__SIZEOF_LONG_DOUBLE__16// x86_64 特定// ... 更多特定于架构的定义 ...

// 简化自 wrapperhelper/include-override/x86/stdc-predef.h#define__SIZEOF_LONG__4// x86 不同！#define__SIZEOF_POINTER__4// x86 不同！#define__SIZEOF_LONG_DOUBLE__12// x86 不同！// ...

这些宏确保如果仿真程序依赖于预定义常量（如__SIZEOF_LONG_DOUBLE__）（许多编译器提供），Box64 会为目标架构提供正确的值。

结论

在本章中，我们探讨了 Box64 中的"机器架构配置"。了解到不同的 CPU 架构在数据类型大小、对齐和其他特性方面有不同的规则。Box64 通过为它支持的每个架构维护machine_t配置文件来解决这个问题，就像架构规则的字典一样。

这使 Box64 能够准确模拟目标系统的行为，即使在不同的主机上运行也是如此。

对 Box64 如何为不同架构配置自身的这一基本理解对于其核心功能至关重要。接下来，我们将探讨 Box64 如何使用这些架构规则来构建对 C 数据类型本身的全面理解，详见 C 类型系统表示。