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Rust でクロスコンパイルして Raspberry Pi Zero W で動かす

Rust でクロスコンパイルして Raspberry Pi Zero W で動かす

by legokichi
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このスライドは Rust LT #2 〜いま使う!Rust〜 で発表した内容です


自己紹介

某社でサーバサイド Rust 書いてる


いま使う!Rust


どこで使う?Rust


Rust は IoT と相性が良い

  • ネイティブバイナリなので省リソース
  • クロスコンパイル可能
  • 言語機能がセキュア

最近の IoT 実行環境


今回の話題

  • RaspberryPi で IoT
  • Rust でクロスコンパイル
  • コンテナで DevOps

もくじ

  1. クロスコンパイル入門
  2. Dockernize 入門
  3. RaspberryPi Zero で動かす

1. クロスコンパイル入門


クロスコンパイルで考えること

  1. ターゲットトリプル
  2. クロスコンパイラ
  3. 標準 C ライブラリ
  4. Rust の対応状況

1. ターゲットトリプル


ターゲットとは

  • ホスト: プログラムをコンパイルする環境
  • ターゲット: プログラムを実行する環境

トリプル(triplet)とは


ターゲットトリプルの例


2. クロスコンパイラ


クロスコンパイラとは

  • ターゲット向けのバイナリを作るコンパイラ、リンカ...etc
  • rustc はリンカに gcc を使っている
  • 対応したリンカが必要

リンカの例


リンカ等の指定方法

  • build.rs を使ってコンパイラに渡す文字列を構築する
  • .cargo/config を使って特定のターゲット向けにコンパイラ設定を書く

build.rs
fn main() {
    println!("cargo:rustc-linker=arm-linux-gnueabihf-gcc");
    println!("cargo:rustc-flags=static=link-arg=-march=armv6");
}

.cargo/config
[target.arm-unknown-linux-gnueabihf]
linker = "arm-linux-gnueabihf-gcc"
rustflags = [
  "-C", "link-arg=-march=armv6",
]

3. 標準 C ライブラリ


標準 C ライブラリとは

  • システムコールを C 言語でラップしたもの
  • いわわゆる libc
  • POSIX: libc の API など OS が満たすべき仕様

glibc と musl

  • glibc: GNU が作った Linux(POSIX) 向けの libc
  • musl: 静的リンクされることにに特化した POSIX 互換 libc

4. Rust の対応状況


rust ツールチェーンの対応状況


依存クレートの対応状況

  • libc だけでなく依存クレート毎の共有ライブラにも注意
  • SQLite, openssl, etc...

例: RaspberryPi Zero W の場合


ハードウェア


OS とトリプル

  • OS: Raspbian Stretch Lite
    • Raspbian はハードウェア浮動小数点演算(HF) に対応した debian
  • トリプル: arm-unknown-linux-gnueabihf
    • gnueabihf: glibc + HF EABI

  1. トリプル は arm-unknown-linux-gnueabihf (ARMv6 HF)
  2. リンカは raspberrypi/tools
  3. 標準 C ライブラリは raspbian の glibc でよさそう
  4. sqlite とか使う場合は debian の マルチアーキテクチャ でを使ってクロスコンパイル用の依存ライブラリを raspbian のリポジトリとかから用意する

依存ライブラリをもってくる

echo "deb [arch=armhf] http://archive.raspbian.org/raspbian jessie main contrib non-free"
  | tee -a /etc/apt/sources.list
wget https://archive.raspbian.org/raspbian.public.key -O - | apt-key add -
dpkg --add-architecture armhf
apt-get update
apt-get install libsqlite3-dev:armhf

arm-unknown-linux-gnueabihf って?

  • arm-unknown-linux-gnueabihf: ARMv6+VFP (Pi,PiZ)
  • armv7-unknown-linux-gnueabihf: ARMv7+NEON (Pi2,Pi3)
  • ARNv7 は ARMv6 互換

armhf って?


2. Dockernize


Docker + Raspberry Pi

* ARM 向け Docker イメージをコンテナのベースに使う必要あり

インストール方法

curl -fsSL https://download.docker.com/linux/debian/gpg | sudo apt-key add -
echo "deb [arch=armhf] https://download.docker.com/linux/debian \
     $(lsb_release -cs) stable" | \
    sudo tee /etc/apt/sources.list.d/docker.list
sudo apt-get update
sudo apt-get install docker-ce
sudo docker run armhf/hello-world

ARM 向け Docker リポジトリとイメージ


理想の Docker イメージ

  • デプロイ時間の短縮のためにコンテナは薄く軽くしたい
  • Image がでかいとダウンロード時間かかる
  • 非力な CPU だと解凍時間も長くなる

イメージサイズ


arm32v6/alpine:latest


arm32v7/debian:stretch-slim

  • 比較的軽い (19MB)
  • ARMv6 ダメ

resin/rpi-raspbian:stretch

  • やや重い (53MB)
  • ARMv6 + HF が使える

例: RaspberryPi Zero W の場合

  • ARMv6 なので arm32v6/alpineresin/rpi-raspbian
  • 共有ライブラリ使わないなら musl を静的リンクして alpine
  • 使うならとりあえず raspbian で始めて徐々に alpine

3. RaspberryPi Zero W で動かす


おひとりさまミニブログ

  • ツイ禁のために自作
  • 衝動買いした RaspberryPi Zero W を使う
  • Tor Onion Service + IoT でセキュアでグローバルIP&ドメインいらずの自宅サーバ
  • 自宅サーバは IoT か?

DevOps とか

  • actix-web + askama + diesel (sqlite)
  • 開発マシン(ubuntu) 上の debian コンテナでクロスビルド
  • rpi-raspbian でパッケージして Docker Hub に push
  • PiZ の Raspbian 上の docker で pull して実行

クロスコンパイルテクニック

  1. docker multistage-build を使う
  2. SQLite を静的リンクする
  3. .cargo/config で linker を指定する
  4. readelf でターゲットを確認する

1. docker multistage-build


Dockerfile
FROM debian:jessie as builder
WORKDIR /source
ADD . /source
RUN cargo build --target=arm-unknown-linux-gnueabihf -p server --release

FROM resin/rpi-raspbian
COPY --from=builder /source/target/arm-unknown-linux-gnueabihf/release/server /opt/server
CMD ["/opt/server"]

  • ひとつの Dockerfile だけでビルドして成果物の別のコンテナに入れる機能
  • debian でビルドしたバイナリを alpine に入れてパッケージ化とかできる
  • GoogleContainerTools/skaffold 使うとデプロイまで自動化できる

  • 今回は debian でビルドして raspbian でパッケージ化
  • alpine 使いたかったが libsqlite3 も含めて musl にするのは面倒
  • まずはとりあえず raspbian

2. SQLite を静的リンクする


静的リンクする動機

  • 開発マシンでは rpi-raspbian ステージの apt は動かない(armhf なので)
  • multi-stage build でクロスコンパイルする場合特有の問題
  • なるべく debian 側でリンクしてしまいたい


libsqlite3-sys の bundled を使う

Cargo.toml
[dependencies]
diesel = { version = "1.3", features = ["sqlite"] }
libsqlite3-sys = { version = "0.9", features = ["bundled"] }

3. .cargo/config でリンカを指定する

  • raspberrypi/toolsarm-linux-gnueabihf-gcc にパスを通しておく
  • /usr/lib/arm-linux-gnueabihflibsqlite3 があるので linker にパスを渡しておく

リンカオプションてんこもり

Cargo.toml
[target.arm-unknown-linux-gnueabihf]
linker = "arm-linux-gnueabihf-gcc"
rustflags = [
  "-C", "link-arg=-march=armv6",
  "-C", "link-arg=-mfpu=vfp",
  "-C", "link-arg=-mfloat-abi=hard",
  "-C", "link-arg=-L/opt/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64/arm-linux-gnueabihf/libc/usr/lib/arm-linux-gnueabihf/",\n\
  "-Z", "print-link-args",
]

4. readelf で細かくバイナリを確認する


怪奇現象


ARMv6 向け設定でビルドしたのに結果は ARMv7 になる現象

$ readelf --arch-specific ./target/arm-unknown-linux-gnueabihf/debug/server
Attribute Section: aeabi
File Attributes
  Tag_CPU_name: "7-A"
  Tag_CPU_arch: v7
...

期待する結果 (ARMv6) だとこう表示されるはず

$ readelf --arch-specific ./target/arm-unknown-linux-gnueabihf/debug/server
Attribute Section: aeabi
File Attributes
  Tag_CPU_name: "6"
  Tag_CPU_arch: v6
...

原因を探る

  1. Tag_CPU_arch: v6 になるまでソースコードをコメントアウトする
  2. Tag_CPU_arch: v7 の原因となるライブラリの Cargo.toml の features を調べる

原因の特定

  1. actix-web のコードをコメントアウトすると Tag_CPU_arch: v6 に戻ることが判明
  2. actix-web が依存していた cookie-rssecure featrue が ring crate に依存していたのが原因だと分かる
  3. ring crate が c コンパイラに依存していたのが原因

感想


感想

  • クロスコンパイルは難しい
  • alpine linux は不便なのでそのうち廃れそう
  • ビルド&パッケージ化を Dockerfile で管理できて便利

クロスコンパイルは難しい


おわり

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