如何提升 Linux 开发者的实际能力

核心提示：64 位 POWER 体系结构是公认的高性能、可靠而且有用的企业平台，它为 UNIX 和 Linux 应用程序开发者提供了新的选择，如何提升 Linux 开发者的实际能力，不管是谁，只要有在其他平台上使用 AIX 或者 Linux 的经验，高性能计算（HPC）以及生命科学（Life Science）开发者将受益于可用的

　　64 位 POWER 体系结构是公认的高性能、可靠而且有用的企业平台，它为 UNIX 和 Linux 应用程序开发者提供了新的选择。不管是谁，只要有在其他平台上使用 AIX 或者 Linux 的经验，就可以受益于与世界顶尖的 IBM 硬件 POWER 相结合的开放源代码社区强有力的基础。
　　
　　从价格适中的 2- 路服务器到垂直扩展的超级计算机再到世界顶级的 JS20 BladeCenter，基于 POWER 的机器具备所有的大小和等级，始终领先于人们对企业级硬件的预期。与动态逻辑分区（Dynamic Logical Partitioning）等创新配置一道，Linux 或 AIX 的可用为应用程序开发和部署提供了一个独特的依赖于 POWER 体系结构性能的平台。本文将为您提供构造大部分代码和 POWER 平台所需要的工具和知识。
　　
　　Linux 发行版本
　　可选范围广是 Linux 社区为人们所津津乐道的一个强大之处。POWER 版 Linux 主要由 Red Hat Linux 和 SUSE Linux 这两家企业 Linux 厂商提供。这两种 Linux 发行版本各成体系，各有所长，都提供了 Linux 开发者所期望的完整的工具链、库以及开发工具。本文分别进行了评论。
　　
　　注意，TurboLinux 也得到了支持。TurboLinux Enterprise Server8 使用的是来自 SUSE Linux 的许可代码，所以在下面的论述中，那些适用于 SUSE 的特性同样适用于 TurboLinux。
　　
　　Red Hat Enterprise Linux 3 (RHEL3)
　　Red Hat 成功地充当了开放源代码社区的领导者和先驱者。2003 年 Red Hat Linux 发布了可用于 POWER 体系结构的企业版，并带来了先进的 Linux 技术。
　　
　　内核
　　RHEL3 的 2.4.21 Linux 内核为 POWER 体系结构进行了优化。甚至在 Linux 2.6 发布之前，Red Hat 已经在他们的 Linux 2.4 内核中移植（backport）了一些 2.6 的特性。
　　
　　其中，最引人注目的是 Native Posix Threads for Linux（NPTL）库。先前的线程模型，即 Linux Thread，是传统的 1:1 线程模型，与 Linux 2.4 调度器配合使用，一段时间以来这个模型就是被革新的目标。在 RHEL3 中，Red Hat 将新的线程模型从 2.5 的开发树中移植到了 2.4 内核，从而使得可扩展性更好，多线程更快，最明显的是从根本上提高了 Java 性能。
　　
　　不同于一些商用 UNIX 操作系统中所用的 m:n 线程，NPTL 仍是 1:1 模型，但是现在没有人怀疑它的性能。新的线程模型在陈旧的 450 Mhz Intel 处理器上有能力在两秒钟内生成和销毁 100,000 个线程，因而可以提供企业级 Linux 等所需的性能。Java 应用程序的执行速度通常会比使用旧的 Linux 线程模型时快八倍。
　　
　　前沿开发的结合并不仅限于内核线程模型。RHEL3 中还包括一个新的改进的 glibc，版本为 2.3.1。出于 NPTL 线程性能方面的需要，glibc 2.3.1 还为 Linux 应用程序引入了效率更高的库。
　　
　　SUSE SLES8
　　SUSE SLES8 是两种企业版 Linux 中资格较老的一个，已经到了它的生命周期的末期。SLES 8 的特色是定期更新的 2.4 内核（SUSE 已经为 SLES8 用户发布了三个服务包，以确保可以使用补充更新的系统安全和性能），它提供所有类别的选项。有三种带日志的文件系统可供选择。默认情况下，在 SLES8 中可以使用所有常见的数据库、Web 服务器和邮件服务器应用程序以及最新发布的 KDE 和 Gnome 桌面环境。SLES8 中当前可用的 2.4.21 内核为实时地执行 32 位和 64 位的应用程序提供了一个 64 位的基础。
　　
　　即将发布的 SLES9 现在还在测试中，SUSE 的最后一项任务是融合新的 GCC、glibc 和 Linux 2.6 内核。发布后，SLES 9 将提供第一个可用于 IBM eServer? iSeries? 和 pSeries? 服务器的 Linux 2.6 内核。
　　
　　使用哪个发行版本？
　　由于 RHEL 3 和 SLES8 所提供的线程模型不同，所以当然不能认为会有完全的二进制兼容性。好消息是，开发者几乎总会发现，不同的 Linux 发行版本中代码编译是一致的，POWER 版 Linux 也不例外。
　　
　　不过，在部署时，一些应用程序对具体的发行版本更为敏感。例如，SLES8 上默认使用的 Reiser 文件系统以高性能地处理小文件而闻名。主要对小于 1 KB 的文件进行读写访问的应用程序适合使用这种文件系统，这样的程序最好运行在 SLES8 上，而运行 Java 线程的应用程序将受益于 NPTL 的 RHEL3 实现。
　　
　　开放源代码模型的优点在于它的灵活性，POWER 版 Linux 也是灵活的。也就是说，开发者将可以找到关于在 RHEL3 和 SLES8 上进行开发的通用参考资料。编译器、IBM Java Developer’s Kit ，以及像流行的集成开发环境 Eclipse 这样的开发工具，都是这两种发行版本中自由可用的工具的例子。
　　
　　编译器和库
　　POWER 版 Linux 是两个方面的结合：最好的开放源代码开发和企业级的硬件。最好是提供 C、C++ 和 Fortran 编译器的一个选择以反映这一结合。
　　
　　GNU Compiler Collection (GCC)
　　GNU GCC 是用于所有体系结构的 Linux 中应用最广泛的编译器，Red Hat 和 SUSE 都使用此编译器来编译随它们的产品发布的二进制文件（可执行文件）。由于 GCC 3.2 可以生成 32 位的和 64 位的二进制文件，所以 RHEL3 和 SLES8 中都提供了 GCC 3.2。RHEL3 实现利用了一个“biarch”风格的双编译器，使用一个编译器标记（-m64）来进行 64 位编译。
　　
　　与之不同，SLES8 使用单独的 64 位 GCC 的工具链，这个工具链默认存储在 /opt/cross 中。为了在 SLES8 中可以使用 64 位编译器，开发者应该确保他们的配置脚本和 Makefile 文件可以识别出这个编译器。您可以通过将 CC 环境变量设置为 64 位 GCC 编译器的位置来完成这一任务。
　　
　　当前，人们正在对 GNU 编译器集进行重大革新，为 POWER 体系结构而进行性能优化。在即将发行的 3.3 和 3.4 中，GCC 的调度和信号处理将得到改进。另外，针对特定体系结构的优化（比如对 IBM JS20 BladeCenter 中 PPC970 芯片的 VMX/Altivec 支持）将为编译后的代码带来极大的性能优势。不过，SLES8 和 RHEL3 现在使用的都是 GCC 3.2 版本，在这里评述了对这些版本性能的优化。
　　
　　GCC 3.2 没有为 POWER 处理器进行针对特定体系结构的优化。所以，编译时不建议使用针对特定体系结构的标记，比如 -mpower。可以使用这些选项，但通常不会带来性能上的提高。与 x86 上的 GCC 实现不同，GCC 3.2 中没有包括 -fPIC 标记。为生成动态链接的二进制文件，需要在所有的 Makefile 文件中包含 -fPIC。如果您正从 Intel 上的 Linux 移植代码库（codebase），这尤其关键，因为已有的 Makefile 文件可能没有显式地使用这个标记。
　　
　　除了要识别出那些没有被当前用于 POWER 体系结构的 GCC 所使用的标记之外，您应该知道那些对 x86 和 POWER 体系结构来说可用的标记。这些标记包括处理重定位、目录（table of contents）大小、浮点选项、位调整等等的编译标记。例如，大 TOC 支持（多于 8K 个条目）需要多个 TOC，由 -mminimal-toc 编译标记指定。要回顾这些标记，请阅读源代码包中的标准 GCC 文档。
　　
　　IBM VisualAge 编译器集
　　除了 GCC 以外，IBM 还发布了高性能 VisualAge 编译器集，这个编译器集既可以用于 RHEL3，也可以用于 SLES8。这些用于 C、C++ 和 Fortran 的编译器将性能优化技术发挥到了极致；它们被精心地定制，以全面地利用 POWER 体系结构。高性能计算（High Performance Computing）开发者通常会发现，只要使用这些编译器来重新编译他们的代码，性能就会提高 30% 以上!
　　
　　使用 VisualAge 进行优化很简单，只需预先设定优化级别，这些级别对应使用不同种类的算法。通常，使用简单的 -O3 -qtune=auto 和 -qarch=auto 会带来最为显著的性能提高。第三级优化将自动识别出芯片类型并进行芯片（但不是体系结构）无关的优化。进一步使用 -O4 优化标记可以获得更高的性能，但付出的代价是针对特定芯片的优化、程序间分析以及高阶转换例程。高性能代码应该首先以 -O3 优化，然后再尝试 -O4。虽然 -O4 可能会提高性能，但是它对代码结构更为挑剔，而且 POWER 系列微处理器系列上的二进制兼容性更为受限。
　　
　　为避免出现库不兼容的不愉快情形，POWER 版 Linux 中的 VisualAge 编译器设计为分别去使用每个发行版本包中所带的 glibc，而且它们甚至使用本地 Linux 链接器。渴望性能的应用程序显然需要 POWER 版 Linux 的这一独特功能。
　　
　　有大量的关于用于 POWER 版 Linux 中的 GCC 和 VisualAge 编译器集编译期优化的文档。在 参考资料 中列出了所有 POWER 版 Linux 开发者都应该放在桌面上的可免费获得的技术资料。
　　
　　IBM JDK 1.4.1
　　IBM 已经将开发资源加入到对定制的 JDK 的改进中，可用于 POWER 版 Linux 的 JDK 既有 32 位的也有 64 位的。BHEL3 和 SLES8 的安装包中都有 IBM JDK 1.4.1，可以与 POWER 版 Linux 的 Eclipse 集成开发环境配合使用。
　　
　　开发工具
　　很多 Linux 开发者乐于使用传统的开发工具，比如 vi 或 Emacs。自然，这些以及 gdb 等 Linux 中常见的内核级调试工具都是可用的。不过，除了这些工具以外，POWER 版 Linux 的特色是支持 Eclipse IDE 等开发工具。VisualAge 编译器有详细的代码分析选项来确定源代码中的字符排列顺序（endianness）以及 64 位兼容性，并且，舒适的 KDE 和 Gnome 桌面环境让那些习惯于图形界面的开发者非常自如。高性能计算（HPC）以及生命科学（Life Science）开发者将受益于可用的通用应用程序，例如 NCBI 应用程序。IBM 的高级数学和科学库 ESSL 和 P/ESSL 也可以用来辅助 POWER 版 Linux 上的高性能应用程序。随着 Globus Toolkit 等相关解决方案与集群系统管理（Cluster S