1、概述

隨著IT技術(shù)的不斷演進(jìn)，公有云、專屬云、混合云、云原生等相關(guān)技術(shù)概念層出不窮，云計算已經(jīng)有了廣泛應(yīng)用，成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)、政企數(shù)字化轉(zhuǎn)型的新型基礎(chǔ)設(shè)施。 在云計算時代，由于功耗低、高性能以及指令集的優(yōu)勢，越來越多的云廠商開始選擇基于ARM體系來構(gòu)建云服務(wù)。從AWS發(fā)布的Graviton2，到Apple的M1芯片，到中國電子云十年磨一劍的“PK架構(gòu)”，再到華為鯤鵬體系，ARM體系成為了未來的趨勢方向。 對于企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型來說，應(yīng)用上云是必經(jīng)之路。從狹義來說，上云是將運行在物理機(jī)上的應(yīng)用系統(tǒng)搬遷到云上。從廣義上看，上云會涉及到跨架構(gòu)適配、虛擬化、容器化、云原生等一系列的技術(shù)升級和重構(gòu)。 上云的不同階段，所依賴的技術(shù)并不同。從左至右，應(yīng)用對云的依存度也越來越高。

下文對幾個階段涉及到的技術(shù)做簡單闡述。

階段1：跨架構(gòu)適配

傳統(tǒng)應(yīng)用大部分是基于X86架構(gòu)來開發(fā)和運行。面對ARM架構(gòu)越來越流行的今天，越來越多的云計算廠商開始圍繞ARM架構(gòu)構(gòu)建云應(yīng)用生態(tài)。并據(jù)此引發(fā)了大量的適配測試需求。X86和ARM體系架構(gòu)的差異對于應(yīng)用有哪些影響？X86應(yīng)用向ARM體系遷移會碰到哪些技術(shù)難題？對于不同編程語言實現(xiàn)的應(yīng)用來說，遷移的難度是否有區(qū)別？ 本文將針對以上問題開展分析。

階段2：虛擬化

計算虛擬化能力是云計算提供的核心能力。截至到今天，很多行業(yè)用戶的上云還是停留在這個階段。虛擬化的最大用途是使得應(yīng)用與物理機(jī)器解耦，將資源池化，按需分配資源，并因此獲得彈性伸縮和遷移能力。這個階段的上云，往往會涉及到P2V和V2V這兩種主要場景。前者是從物理機(jī)向虛擬機(jī)遷移（Physical to Virtual Migration)），后者是虛擬化的跨云遷移（Virtual Machine to Virtual Machine）。

階段3：容器化

容器化是將應(yīng)用程序及其所需的庫、框架和配置文件打包在一起的過程，以便可以在各種計算環(huán)境中高效運行它。得益于Docker等技術(shù)的流行，應(yīng)用容器化更進(jìn)一步促進(jìn)了應(yīng)用的配置、依賴以及鏡像的標(biāo)準(zhǔn)化，使得應(yīng)用交付、運維等領(lǐng)域有極大的提升。這個階段的上云，對于軟件開發(fā)過程有一定的要求，需遵循相應(yīng)的容器化規(guī)范。

階段4：云原生

云原生時代的到來，是容器化后的必然階段。通過Kubernetes、devops、微服務(wù)等技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是對有狀態(tài)應(yīng)用支撐能力的不斷增強(qiáng)，云原生已然成為新一代應(yīng)用開發(fā)的事實標(biāo)準(zhǔn)。 技術(shù)的發(fā)展有天才工程師的靈光一現(xiàn)，其背后同樣也需要遵循客觀自然規(guī)律。下文將從階段1入手，嘗試從底層技術(shù)進(jìn)行解構(gòu)，或許能幫助我們更清晰的看到本質(zhì)。

2、跨越CPU架構(gòu)

縱觀計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展史，軟件系統(tǒng)是一個不斷抽象，不斷疊加的過程。操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，解決的是單機(jī)硬件多樣性的難題，為上層應(yīng)用軟件提供一致的底層運行環(huán)境。云計算的出現(xiàn)，解決的是分布式架構(gòu)引入的多樣性問題，為應(yīng)用提供跨機(jī)器、跨地域的一致運行環(huán)境。 我們先從CPU指令集的差異對比開始。

2.1 CPU指令集對比

在計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程中，誕生了CISC(復(fù)雜指令集)和RISC(精簡指令集)這兩大流派，它們采用了不同的設(shè)計理念和方法，CISC采用單條復(fù)雜指令完成特定復(fù)雜功能，提高了存儲器訪問效率；RISC則采用多條精簡短指令完成特定復(fù)雜功能，提高了處理器運行速度?；谶@兩類指令集，產(chǎn)生了兩種主流的CPU架構(gòu)：X86架構(gòu)，采用的是CISC復(fù)雜指令集，而ARM架構(gòu)則采用了RISC精簡指令集。 CISC指令集指令系統(tǒng)龐大，指令數(shù)目、指令格式和尋址方式復(fù)雜，指令字長不固定，各種指令執(zhí)行周期和訪問頻率相差很大，采用微指令碼控制單元的設(shè)計。 RISC指令集選取使用頻率最高的精簡指令，避免復(fù)雜指令，將指令數(shù)目、指令格式和尋址方式種類減少，指令長度固定，大多數(shù)的指令都可以在一個機(jī)器周期里完成。以控制邏輯為主，不用或者少用微指令碼控制。

2.2對應(yīng)用遷移的影響

應(yīng)用本質(zhì)上是一種程序，程序在運行態(tài)是由一系列進(jìn)程組成，而進(jìn)程可以說是計算機(jī)科學(xué)最重要和最成功的概念之一。進(jìn)程的運行依賴操作系統(tǒng)對CPU、內(nèi)存的調(diào)度和管理，操作系統(tǒng)保持跟蹤進(jìn)程運行所需的所有狀態(tài)信息。比如寄存器、PC計數(shù)器、邏輯單元ALU等。 綜合來說，X86 和ARM屬于不同的架構(gòu)。X86屬于復(fù)雜指令集，而ARM屬于精簡指令集， X86 上的程序根本不可能毫無阻礙地就可以在ARM上使用，必須經(jīng)過適配遷移。 從另外的角度來看，應(yīng)用選擇不同的編程語言，會有不同的跨架構(gòu)能力。下面分析下主流的C++和Java應(yīng)用在不同架構(gòu)下的差異表現(xiàn)。

2.3.1 C/C++語言

眾所周知，C/C++程序是計算機(jī)系統(tǒng)級別最為成功的語言之一。業(yè)界存在大量的知名開源軟件基于C/C++構(gòu)建，比如Windows/Linux操作系統(tǒng)自身，以及使用廣泛的分布式存儲系統(tǒng)Ceph。 在C/C++世界里，從源代碼演變成運行中的進(jìn)程，需要經(jīng)歷編譯、匯編、鏈接、運行等一系列過程。

a) Step 1編譯

編譯是將源代碼經(jīng)過處理，轉(zhuǎn)變成匯編語言的過程。這一過程的關(guān)鍵工具是編譯器。有了編譯器的存在，現(xiàn)代編程語言（如C++）的源代碼一般能做到架構(gòu)無關(guān)，通過不同平臺編譯器（如GCC）的處理，可以得到不同體系結(jié)構(gòu)下的匯編代碼。 舉例如下源代碼：

在X86平臺編譯器編譯后，得到匯編代碼如下：

備注：以上mov、push等均為X86體系架構(gòu)匯編指令。 在ARM平臺編譯后，得到匯編代碼如下：

備注：以上mov，STR，LDR均為ARM架構(gòu)匯編指令。 匯編指令的簡單對比如下：

僅從常用指令集名稱來看，兩者比較相似，但實際大相徑庭。

舉例說明，在ARM指令中，MOV與ADD之間需要通過STR和LDR兩條指令完成數(shù)據(jù)從內(nèi)存往寄存器的加載，其原因是ARM算術(shù)指令只能運行在寄存器，而X86則無此限制。

其他差異本文不再一一分析。

由此可以看出，X86和ARM架構(gòu)的指令集差異很大，對于C++語言來說，編譯器幫我們搞定這些差異，但需要從源代碼重新編譯。

b) Step 2 匯編

匯編是將匯編代碼轉(zhuǎn)變成機(jī)器代碼的過程。以上匯編代碼在X86平臺下，得到的機(jī)器代碼如下：

備注：以上為局部截圖。 而在ARM平臺下，得到的機(jī)器代碼會完全不同。

c) Step 3 鏈接

鏈接在C++語言特有的處理機(jī)制，將OS里的鏈接庫與程序進(jìn)行鏈接的過程。這一過程的輸出物即為可執(zhí)行程序。最終的運行，對于C++和Java來說，通常都有Main函數(shù)作為程序的運行入口（某些框架會對其進(jìn)行封裝，如Java Spring框架）。

綜合以上，對于C/C++開發(fā)的應(yīng)用程序來說，向ARM架構(gòu)遷移需要完成重新完成編譯、匯編、鏈接的全過程，應(yīng)用跨架構(gòu)遷移的難度較大。

2.3.2 Java語言

Java語言在Web應(yīng)用開發(fā)占據(jù)絕對的主導(dǎo)地位。Java是基于虛擬機(jī)的語言，也是所謂提供跨平臺運行能力的語言。Java應(yīng)用從源代碼到運行，需經(jīng)歷編譯、運行兩個環(huán)節(jié)。 **

a) Step 1 編譯

使用javac命令進(jìn)行編譯，通常得到j(luò)ava字節(jié)碼文件，以.Class后綴命名的文件。

以下面的代碼為例。

X86環(huán)境編譯得到的字節(jié)碼如下：

備注：以上為局部截圖。

ARM機(jī)器上編譯，得到如下字節(jié)碼：

經(jīng)比較，會發(fā)現(xiàn)兩者得到的字節(jié)碼基本一致。

b) Step 2 執(zhí)行

Java體系為X86和ARM分別提供了不同的JVM。在運行時，JVM通過類加載器執(zhí)行以上字節(jié)碼文件。

備注：實際運行時，JVM會將字節(jié)碼轉(zhuǎn)換成機(jī)器碼來運行，這個過程暫且忽略不表。

綜合來看，對于Java應(yīng)用來說，X86和ARM架構(gòu)的差異完全由JVM層屏蔽，應(yīng)用跨架構(gòu)遷移的難度很小。

上文主要從CPU架構(gòu)差異、編程語言差異的角度來分析對應(yīng)用的影響。下面結(jié)合中國電子云的實際上云案例來做進(jìn)一步的闡述。

3、藍(lán)信上云實踐

藍(lán)信是中國電子云上運行的重量級應(yīng)用之一，作為中國電子云“一云一端”的戰(zhàn)略組成部分，提供安全可靠的企業(yè)消息通訊、視頻會議和協(xié)同辦公能力，在政企市場有著廣泛的應(yīng)用場景。

3.1 藍(lán)信對中國電子云的適配過程

藍(lán)信原生是構(gòu)建在X86體系架構(gòu)下的，針對中國電子云底層采用PKS架構(gòu)，需要做整個系統(tǒng)的適配，主要工作體現(xiàn)以下幾點：

1）針對體系架構(gòu)改變的適配

代碼級重新編譯以適配ARM架構(gòu)，由于目前流行的開發(fā)語言早已對ARM體系進(jìn)行過適配（例如，golang，java，c/c++, python等）這部分工作難度不大。

2）數(shù)據(jù)庫的適配

數(shù)據(jù)庫部分，藍(lán)信需要從MySQL遷移到達(dá)夢數(shù)據(jù)庫，由于達(dá)夢數(shù)據(jù)庫對MySQL語句的良好支持，只有部分語法存在兼容性問題，僅需在數(shù)據(jù)層進(jìn)行適配，業(yè)務(wù)層并不需要改動，整體適配可在一個月內(nèi)完成，其中主要成本集中在適配后的全量功能測試上。

3）基礎(chǔ)設(shè)施及中間件的適配

藍(lán)信依賴的基礎(chǔ)設(shè)施及中間件也需要適配，例如etcd，k8s，redis，kafka，mongoDB等，這部分工作由于大部分基礎(chǔ)組件已經(jīng)有了ARM版本，直接使用即可，極個別的組件，需要進(jìn)行源碼級的編譯。

4、總結(jié)和思考

在當(dāng)前數(shù)字產(chǎn)業(yè)大發(fā)展的背景下， 對ARM架構(gòu)的關(guān)注必然會不斷升溫，各行業(yè)會出現(xiàn)大量應(yīng)用從X86向AMR架構(gòu)遷移，也催生了大量的應(yīng)用跨架構(gòu)適配測試需求。 通過前文的分析，我們可以得出如下結(jié)論：

1、X86架構(gòu)和ARM架構(gòu)的確存在較大差異。兩者在指令集、寄存器等方面均有很大的不同，但對于應(yīng)用系統(tǒng)的移植來說，并非是不可逾越的鴻溝；

2、應(yīng)用開發(fā)采用的不同編程語言，會導(dǎo)致跨架構(gòu)移植難度絕然不同。C/C++等系統(tǒng)級語言所編寫的應(yīng)用程序，其移植需要經(jīng)過重新編譯、鏈接、運行等全過程，難度相對較大；而以Java為代表的虛擬機(jī)語言則具備良好的跨平臺移植性；而對于Python、JavaScript等腳本型語言來說，移植難度會更小。從這個角度來看，在云計算環(huán)境下開發(fā)應(yīng)用程序，建議優(yōu)先選擇跨架構(gòu)友好的編程語言。

3、在大型應(yīng)用系統(tǒng)遷移實踐中，需要深入分析系統(tǒng)架構(gòu)，有針對性的設(shè)計遷移方案。

完成跨CPU架構(gòu)遷移只是一小步，對于應(yīng)用來說，如何借助云計算實現(xiàn)更好的可部署性、可伸縮性、便捷運維以及高并發(fā)帶來的性能挑戰(zhàn)，值得不斷的探索。

審核編輯：湯梓紅