本文共3200餘字，預計閱讀時間9分鐘，本文知乎鏈接：Cygwin系列（二）：初窺Cygwin背後。

本文接上篇Cygwin系列（一）：Cygwin是什麼，介紹Cygwin實現的思路。

前言：跨平台移植實現

一個程序軟體從誕生到運行起來，粗略地分，要經歷以下幾個過程：

  1. 編寫源代碼；
  2. 源代碼編譯、鏈接；
  3. 系統載入程序文件；
程序軟體從誕生到運行的經歷

3個階段的主導角色分別是：文本編輯器（Editor）、編譯工具鏈（Tool chain，鏈的意思是一系列工具而不止一個）、程序載入器（Loader）。要實現跨平台移植，就要從這三方面入手。

  • 編寫過程

源代碼是純文本，在不同的系統平台（如Windows、UNIX、Linux）差異除了換行符其他可以忽略不計，而且文本編輯器通常也能設定換行符，再退一步，還有工具實現文本中換行符的轉換。可以認為，源代碼編寫過程在不同系統平台沒有差異。

  • 編譯鏈接過程

程序源代碼文件經過編譯彙編生成二進位的目標文件，目標文件就包含了機器指令、數據等內容，目標文件再與必要的庫文件鏈接最終形成可執行文件。

編譯鏈接過程示意圖

不同的系統平台（如Windows、UNIX、Linux）上目標文件、可執行文件格式是不同的，庫文件是已有目標的歸檔包（archive），不同的系統平台所擁有的庫文件（比如Cygwin系列（一）：Cygwin是什麼所提到的C標準庫）也是不一樣的。

一言以蔽之，系統A上的目標文件、庫文件、可執行文件在系統B上一般是不可直接識別的；如果他們能做到相互識別，那可稱這兩個系統ABI（Application Binary Interface，應用程序二進位介面）兼容。

  • 載入過程

os內核創建一個新的進程，裝載器，或者叫載入器，在內存開闢一片區域，從外部存儲空間（如磁碟）中複製可執行文件內容到內存相關的段（segment）中，再跳轉到程序入口並執行。

不同的系統平台（如Windows、UNIX、Linux）載入過程大致類似，但細節上有諸多不同。

此外，上述過程中的編譯工具鏈（Tool chain）、程序載入器（Loader），這些程序本身在不同的系統平台也是不一樣的。

Cygwin是怎麼做到的？

1995年，Windows已經啟用Windows NT內核、發布Windows 95並獲得了巨大的成功。另一頭，Linux發行版如Slackware、Debian、Red Hat，UNIX-like發行版如4.4BSD、FreeBSD等也都擁有了眾多的用戶。UNIX和Linux是近親，在API層面兼容（由POSIX標準保證），而Windows與UNIX/Linux是API、ABI均不兼容。如果程序能夠在不同操作系統上運行，那便能大大豐富軟體生態。

Windows、Linux發行版和FreeBSD（圖片來源於網路）

Cygwin取巧的步驟是上圖的編譯鏈接過程。

1995年，Cygnus Solutions公司的工程師注意到Windows NT和Windows 95的目標文件使用COFF格式，Windows系統的可執行文件格式PE（Portable Executable）和Linux系統的可執行文件格式ELF（Executable Linkable Format）都是COFF的變種，而且此時GNU項目的gcc編譯工具鏈已經支持COFF格式和newlib C標準庫。

這位工程師靈光一閃，可否改造gcc編譯工具鏈產生一個交叉工具鏈，進而能夠生成Windows系統原生的目標文件和可執行文件呢？得益於gcc良好的跨平台支持特性，這項工作很快就完成了，這個「交叉」版的gcc運行於Linux系統，但生成Windows系統的目標文件，正因運行系統（host）和目標系統（target）不同，所以它才叫「交叉」工具鏈。

第一步：製作交叉版gcc工具鏈

接下來，第二項重要工作，是要把這個「改造」版的gcc進一步改造，使其能夠運行在Windows系統上。要讓這個Windows版的gcc真正運行起來，還依賴於bash、POSIX兼容的系統調用等等系列程序和環境，一種思路是把這些依賴程序使用Win32 API重寫、再編譯構建，但這要花大量的時間將每一個程序都重寫。

Cygnus Solutions公司放棄了這種思路，乾脆使用Win32 API重寫一個函數庫（Cygwin DLL），提供Win32 API所缺少的必要的POSIX API，如fork、spawn、signals、select、sockets等，事實上Cygwin DLL還調用了部分Windows Native API，並且由於os設計理念上的差異，以及Windows中有大量未對外公開的Win32 API、Windows Native API，有些POSIX API根本無法用它們模擬，Cygnus Solutions公司只能完全從零重寫，而且為了處理POSIX和Windows中的差異還寫了一部分Cygwin專有的函數。再進一步，將相關程序鏈接到此DLL，交叉編譯出Win32版的bash等依賴程序以及libc等函數庫。

第二步：生成Win32版Cygwin DLL和必要工具

現在，兼容PSOIX的模擬層、構建gcc所依賴的bash等工具都已齊備，「改造」版的gcc移植到Windows系統幾乎是水到渠成的事情了。

第三步：移植gcc工具鏈到Windows

至此，兼容PSOIX的模擬層以及基於此模擬層的bash、gcc編譯工具鏈、函數庫等所組成的開發工具集已能在Windows 95/NT系統上運行起來。緊接著，Cygnus Solutions公司改寫配置腳本，逐步把眾多GNU、BSD及其他自由軟體都移植到Windows 95/NT系統上，並按照UNIX/Linux的目錄樹架構組織存放，使得Cygwin環境越來越完備，UNIX系統上標準工具在Cygwin中都有了可用的版本。到1996年10月，Cygwin已完全自足，發布17.1 beta版。

Cygwin隨後的發展

整個Cygwin工具集開始是作為一個單獨的安裝包提供，到2000年4月，項目宣布了新的發布方式，額外提供一個不依賴於Cygwin的Windows原生程序——setup.exe，具有圖形界面，用於安裝、更新、卸載軟體包，因此可視為Cygwin軟體包管理器，此後setup.exe和Cygwin DLL分別獨立開發。

2009年Cygwin DLL v1.7發布，拋棄了對老版本Windows（Windows 95/98/Me）的支持，充分利用Windows NT的新特性，如文件名大小寫敏感、IPv6支持等。隨後，Cygwin DLL、setup.exe都有了64位版本。Cygwin軟體包按照用途分類組織，方便管理。Cygwin項目還提供了一系列系統工具，如cygpath、cygrunsrv、cygcheek、cygstart等，以便更好地操作管理Windows系統。

越來越多的開發者也加入了Cygwin項目，幫助將GNU、BSD及其他自由軟體移植到Cygwin並打包。越來越多的機構、公司將Cygwin官方的軟體倉庫同步鏡像過來，由此在世界各地形成眾多Cygwin鏡像站點，共世界各地的用戶下載Cygwin的軟體包，中國的比如網易、阿里、清華、中科大、華科等均提供Cygwin鏡像站。

參考

  • http://www.cygwin.com
  • en.wikipedia.org/wiki/C
  • en.wikipedia.org/wiki/L
  • 俞甲子，石凡，潘愛民·程序員的自我修養——鏈接、裝載與庫[M]·電子工業出版社，2009·

更多閱讀

silaoA：Cygwin前傳：從割據到互補?

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