שחרור של ספריית C הסטנדרטית Cosmopolitan 2.0, שפותחה עבור קבצי הפעלה ניידים

פרסום פרויקט Cosmopolitan 2.0, מפתח את ספריית C הסטנדרטית ופורמט קובץ הפעלה אוניברסלי שניתן להשתמש בו להפצת תוכניות עבור מערכות הפעלה שונות ללא שימוש במתורגמנים ומכונות וירטואליות. התוצאה המתקבלת על ידי קומפילציה ב-GCC וב-Clang מורכבת לקובץ הפעלה אוניברסלי מקושר סטטית שניתן להריץ בכל הפצת לינוקס, macOS, Windows, FreeBSD, OpenBSD, NetBSD, ואפילו לקרוא מה-BIOS. קוד הפרויקט מופץ תחת רישיון ISC (גרסה פשוטה של ​​MIT/BSD).

המיכל להפקת קבצי הפעלה אוניברסליים מבוסס על שילוב של סגמנטים וכותרות ספציפיות למערכות הפעלה שונות (PE, ELF, MACHO, OPENBSD) בקובץ אחד, שילוב של מספר פורמטים שונים המשמשים ב-Unix, Windows ו-macOS. כדי להבטיח שקובץ הפעלה יחיד ירוץ במערכות Windows ו-Unix, טריק הוא לקודד קבצי Windows PE כסקריפטים של מעטפת, תוך ניצול העובדה ש-Tompson Shell אינו משתמש בסמן הסקריפט "#!". כדי ליצור תוכניות הכוללות מספר קבצים (מקשר את כל המשאבים לקובץ אחד), הוא תומך ביצירת קובץ הפעלה בצורה של ארכיון ZIP שתוכנן במיוחד. תוכנית הפורמט המוצע (דוגמה ליישום hello.com):

MZqFpD='BIOS BOOT SECTOR' exec 7 $(command -v $0) printf '\177ELF...LINKER-ENCODED-FREEBSD-HEADER' >&7 exec "$0" "$@" exec qemu-x86_64 "$0" "$ @" צא ממצב אמיתי 1... קטעי שדון... הערה OPENBSD... כותרות מאצ'ו... קוד ונתונים... ספריית מיקוד...

בתחילת הקובץ, מצוינת התווית "MZqFpD", הנתפסת ככותרת בפורמט Windows PE. רצף זה מפוענח גם בהוראה "pop %r10; jno 0x4a ; jo 0x4a", והשורה "\177ELF" להוראה "jg 0x47", המשמשות להעברה לנקודת הכניסה. מערכות יוניקס מרצות קוד מעטפת המשתמש בפקודה exec, ומעביר את קוד ההפעלה דרך צינור ללא שם. מגבלה של השיטה המוצעת היא היכולת לרוץ על מערכות הפעלה דמויות Unix רק באמצעות קונכיות התומכות במצב תאימות Thompson Shell.

הקריאה qemu-x86_64 מספקת ניידות נוספת ומאפשרת לרוץ קוד הידור עבור ארכיטקטורת x86_64 על פלטפורמות שאינן x86, כגון לוחות Raspberry Pi ומכשירי אפל המצוידים במעבדי ARM. הפרויקט יכול לשמש גם ליצירת אפליקציות עצמאיות הפועלות ללא מערכת הפעלה (bare metal). ביישומים כאלה מצורף טוען אתחול לקובץ ההפעלה, והתוכנית פועלת כמערכת הפעלה הניתנת לאתחול.

ספריית C הסטנדרטית libc שפותחה על ידי הפרויקט מציעה 2024 פונקציות (במהדורה הראשונה היו כ-1400 פונקציות). מבחינת ביצועים, Cosmopolitan עובד מהר כמו glibc והוא מקדים באופן ניכר את Musl ו-Newlib, למרות העובדה ש-Cosmopolitan הוא בסדר גודל קטן יותר בגודל הקוד מ-glibc ומתאים בערך ל-Musl ו-Newlib. כדי לבצע אופטימיזציה של פונקציות הנקראות לעתים קרובות כמו memcpy ו-strlen, נעשה שימוש נוסף בטכניקת "ביצועי הטפטוף", שבה נעשה שימוש בקשירת מאקרו לקריאה לפונקציה, שבה המהדר מקבל מידע על אוגרי ה-CPU המעורבים בביצוע הקוד תהליך, המאפשר חיסכון במשאבים בעת שמירת מצב ה-CPU על ידי שמירת אוגרים הניתנים לשינוי בלבד.

בין השינויים במהדורה החדשה:

• סכימת הגישה למשאבים פנימיים בתוך קובץ zip שונתה (בעת פתיחת קבצים, כעת נעשה שימוש בנתיבי /zip/... הרגילים במקום להשתמש בקידומת zip:..). באופן דומה, כדי לגשת לדיסקים ב-Windows, אפשר להשתמש בנתיבים כמו "/c/..." במקום "C:/...".
• הוצע מטעין APE (Actually Portable Executable) חדש, המגדיר את הפורמט של קבצי הפעלה אוניברסליים. המטען החדש משתמש ב-mmap כדי למקם את התוכנית בזיכרון ואינו משנה עוד את התוכן תוך כדי תנועה. במידת הצורך, ניתן להמיר את קובץ ההפעלה האוניברסלי לקבצי הפעלה רגילים הקשורים לפלטפורמות בודדות.
• בפלטפורמת לינוקס, אפשר להשתמש במודול ליבת binfmt_misc כדי להפעיל תוכניות APE. יצוין כי השימוש ב-binfmt_misc הוא שיטת ההשקה המהירה ביותר.
• עבור לינוקס, הוצע יישום של הפונקציונליות של קריאות המערכת ()pledge() ו- unveil() שפותחו על ידי פרויקט OpenBSD. API מסופק לשימוש בקריאות אלה בתוכניות ב-C, C++, Python ו-Redbean, כמו גם כלי עזר pledge.com לבידוד תהליכים שרירותיים.
• ה-build משתמש בכלי השירות Landlock Make - מהדורה של GNU Make עם בדיקת תלות מחמירה יותר ושימוש בקריאה למערכת Landlock כדי לבודד את התוכנית משאר המערכת ולשפר את יעילות האחסון במטמון. כאופציה, נשמרת היכולת לבנות עם GNU Make רגיל.
• פונקציות לריבוי שרשורים יושמו - _spawn() ו-_join(), שהן כריכות אוניברסליות על ממשקי API ספציפיים למערכות הפעלה שונות. כמו כן, מתבצעת עבודה להטמעת תמיכה ב- POSIX Threads.
• אפשר להשתמש במילת המפתח _Thread_local כדי להשתמש באחסון נפרד עבור כל שרשור (TLS, Thread-Local Storage). כברירת מחדל, זמן הריצה C מאתחל את TLS עבור השרשור הראשי, מה שגרם לגודל ההפעלה המינימלי להגדיל מ-12 KB ל-16 KB.
• תמיכה בפרמטרים "--ftrace" ו-"--strace" נוספה לקבצי הפעלה כדי להוציא מידע על כל קריאות הפונקציות וקריאות המערכת ל-stderr.
• נוספה תמיכה בקריאה למערכת closefrom(), נתמכת ב-Linux 5.9+, FreeBSD 8+ ו-OpenBSD.
• בפלטפורמת לינוקס, הביצועים של קריאות clock_gettime ו-gettimeofday הוגדלו עד פי 10 על ידי שימוש במנגנון vDSO (Virtual dynamic shared object), המאפשר להעביר את המטפל בשיחות המערכת למרחב המשתמש ולהימנע ממעברי הקשר.
• פונקציות מתמטיות לעבודה עם מספרים מרוכבים הועברו מספריית Musl. העבודה של פונקציות מתמטיות רבות הואצה.
• הפונקציה nointernet() הוצעה כדי להשבית את יכולות הרשת.
• נוספו פונקציות חדשות להוספה יעילה של מחרוזות: appendd, appendf, appendr, appends, appendw, appendz, kappendf, kvappendf ו-vappendf.
• נוספה גרסה מוגנת של משפחת הפונקציות kprintf() שנועדה לעבוד עם הרשאות גבוהות.
• ביצועים משופרים באופן משמעותי של יישומי SSL, SHA, curve25519 ו-RSA.

מקור: OpenNet.ru