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

コンテナでデプロイ (Azure IoTEdge)
Kubernetes で管理 (virtual-kubelet)
省リソースなコンテナ実行環境 (resion.io)

今回の話題

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

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

ターゲットトリプル
クロスコンパイラ
標準 C ライブラリ
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

コンパイルで必要なシステムを表す
{arch}-{vendor}-{sys}-{abi}
ABI は省略してトリプル

ターゲットトリプルの例

x86_64-pc-windows-msvc
x86_64-apple-darwin
x86_64-unknown-linux-gnu
(gcc と rust では一致しない場合もある)

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

debian の cross-toolchain
armhf(ARMv6) 向け: raspberrypi/tools
コンパイル済みツールチェーン全部盛り: crosstool-ng
japaric/cross: docker + qemu (仮想マシン) を使った環境全部載せ

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

ターゲット向けのコンパイル済み std crate はあるか
platform-support に一覧がある
rustup target add [target_triple] などでターゲットを指定できる

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

SoC: BCM2835(BCM2708)
CPU: ARM1176JZF-S
命令セット: ARMv6
メモリ: 512MB
Vector Floating Point: ハードウェア浮動小数演算)

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

トリプルは arm-unknown-linux-gnueabihf (ARMv6 HF)
リンカは raspberrypi/tools
標準 C ライブラリは raspbian の glibc でよさそう
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?

arm-unknown-linux-gnueabihf または armv7-unknown-linux-gnueabihf の debian 上での呼称
debian の armhf は ARMv7向け
raspbian の armhf は ARMv6 向け

2. Dockernize

Docker + Raspberry Pi

Raspberry Pi でも Docker が動くようになった

* 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`

軽い (2MB)
そのままでは glibc がないので使うなら musl か glibc のインストールが必要

`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/alpine か resin/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

docker multistage-build を使う
SQLite を静的リンクする
.cargo/config で linker を指定する
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

raspbian の libsqlite3-dev:armhf を静的リンクする
deisel を使う側の Cargo.toml で libsqlite3-sys クレートの bundled feature を使う

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/tools の arm-linux-gnueabihf-gcc にパスを通しておく
/usr/lib/arm-linux-gnueabihf に libsqlite3 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

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
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

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
actix-web が依存していた cookie-rs の secure featrue が ring crate に依存していたのが原因だと分かる
ring crate が c コンパイラに依存していたのが原因

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

自己紹介

いま使う！Rust

どこで使う？Rust

Rust は IoT と相性が良い

最近の IoT 実行環境

今回の話題

もくじ

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

ターゲットとは

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

リンカの例

リンカ等の指定方法

3. 標準 C ライブラリ

標準 C ライブラリとは

glibc と musl

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

例: RaspberryPi Zero W の場合

ハードウェア

OS とトリプル

依存ライブラリをもってくる

arm-unknown-linux-gnueabihf って？

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

ARM 向け Docker リポジトリとイメージ

理想の Docker イメージ

イメージサイズ

arm32v6/alpine:latest

arm32v7/debian:stretch-slim

resin/rpi-raspbian:stretch

例: RaspberryPi Zero W の場合

3. RaspberryPi Zero W で動かす

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DevOps とか

クロスコンパイルテクニック

1. docker multistage-build

2. SQLite を静的リンクする

静的リンクする動機

libsqlite3-sys の bundled を使う

3. .cargo/config でリンカを指定する

リンカオプションてんこもり

4. readelf で細かくバイナリを確認する

怪奇現象

原因を探る

原因の特定

感想

感想

クロスコンパイルは難しい

おわり

`arm-unknown-linux-gnueabihf` って？

`armhf` って?

`arm32v6/alpine:latest`

`arm32v7/debian:stretch-slim`

`resin/rpi-raspbian:stretch`

3. `.cargo/config` でリンカを指定する

4. `readelf` で細かくバイナリを確認する