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NaCl学习笔记

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基础知识

Chrome

Chrome是一个多进程（multi-process）架构的浏览器，相比起Firefox之类的单进程浏览器，其提供额外的完全特性。 Chrome包含一个称为“browser”的主进程，其负责运行UI界面、管理标签页（Tabs）和插件进程，具有当前用户所有的访问权限（文件、网络等），并且能够fork出子进程。

标签页被分配到单独的“renderer”进程中，通常每个domain会共享一个进程。展示进程运行在沙盒（Sandbox）中，不能打开文件、网络。展示进程负责渲染HTML布局、处理页面展示。

插件

插件指外部的二进制文件，插件为浏览器添加额外的功能。插件可以随着浏览器一起安装，例如 Adobe Flash、Adobe Reader，也可以是用户自行安装的。一般来说，现有的大部分插件由于需要网络、文件系统的访问权限，而不能在沙盒内运行，因此Chrome提供了进程外插件机制（out of process plugins），在独立进程中以完整访问权限运行插件，并且使用进程间通信（IPC）机制来与browser、renderer进程通信。

Chrome也支持进程内插件（in process plugins），其运行于renderer进程内部，不需要使用IPC机制进行通信。

Netscape Plugin API (NPAPI)

NPAPI是一个跨浏览器的插件框架，除了微软使用ActiveX技术以外，其他主要浏览器均支持。Chrome使用进程外插件的方式来支持NPAPI。Chrome 目前已经不再支持NPAPI。

Pepper Plugin API (PPAPI)

PPAPI是谷歌提出的开源、跨平台插件框架，其主要目的是解决NPAPI的性能、可移植性问题。PPAPI的初期设计曾考虑尽可能保持与NPAPI的接口风格一致性，但是这一设计原则逐渐被放弃。

PPAPI允许C/C++模块与浏览器交互、以安全可移植方式来访问系统级函数。PPAPI不支持操作系统调用，但是它提供了类似的API。

PPAPI支持以下操作：

与JavaScript的双向通信
进行文件I/O操作
播放音频
渲染3D图形

Google没有提供自动化安装第三方的PPAPI插件的方式。使用类似下面的命令行参数启动Chrome，可以手工加载PPAPI插件：

chrome --disable-sandbox --register-pepper-plugins="<plugin_dll_path>;mime/type"

NaCl技术概览

NaCl是一种在浏览器中安全执行平台无关的、不受信任代码的开源沙盒技术，它允许计算密集型、交互性的实时Web应用有效的利用机器的物理性能，并同时保证安全性。NaCl本质上是一个进程内PPAPI插件。

一个NaCl应用程序包含：JavaScript、HTML、CSS、以及一个NaCl模块。目前NaCl SDK支持的语言主要是C和C++。

NaCl SDK是用于开发NaCl可执行文件（nexe）的工具包。由一系列GNU工具链组成，包括 gcc, binutils、gdb等。

Portable Native Client(PNacl)则是在NaCl的基础上支持硬件架构的无关性，可以在任何支持AOT（ahead-of-time）的平台下运行，必须在Chrome 31+才能支持。Chrome负责把pexe格式的中间代码翻译成客户端本地代码。PNacl可以在不依赖Google Web Store的情况下进行部署。在Chrome://flags中开启Native Client标记可以运行任意NaCl。

应当尽可能使用PNacl，而不是NaCl，除非：

程序需要平台相关的指令，例如内联汇编
程序使用动态链接，PNacl仅支持与newlib C标准库的naclport静态链接，对glibc的静态链接、以及动态链接尚不支持
程序使用了某些PNaCl的LLVM工具链所不支持的GNU扩展

NaCl工作机制示意图

nacl_diagram

nacl-pnacl-component-diagram

NaCl工具链

PNaCl工具链：基于LLVM工具链。使用newlib库，生成单个pexe文件，在运行时，浏览器内置的AOT转换器负责将其转换为本地代码
NaCl工具链：基于GCC，包含x86_newlib、x86_glibc、arm_newlib三个工具链，生成多个架构相关的nexe文件，并打包到一个应用，浏览器负责决定使用哪个nexe

不能在一个应用里混合使用多个工具链。下表列出这些工具链使用的C标准库、目录名称，其中platform可能是win或者linux

目标架构	C标准库	工具链目录
x86	newlib	toolchain/<platform>_x86_newlib
x86	glibc	toolchain/<platform>_x86_glibc
ARM	newlib	toolchain/<platform>_arm_newlib
PNaCl	newlib	toolchain/<platform>_pnacl

NaCl的安全性

NaCl沙盒确保代码只能通过安全的、白名单中的API来访问系统资源，并且确保代码不能干扰其它浏览器内外代码的运行
NaCl验证器在运行前静态分析代码，确保只包含允许的代码和数据图式（pattern）

基于NaCl的Web应用的结构

至少包含HTML代码、Manifest文件和NaCl模块3部分内容。

HTML代码中需要包含embed标签，用于定位manifest文件：

<embed width="300" height="150" type="application/x-pnacl" src="helloworld.nmf" name="mygame">
</embed>

Manifest文件以nmf为扩展名，定义了需要加载的NaCl模块以及选项，形式如下：

{
  "url": "helloworld.pexe"
}

NaCl模块是编译好的pexe文件，其使用Pepper API作为本地代码与JavaScript、其它浏览器资源的桥梁。

NaCl的劣势以及其替代技术

NaCl具有以下缺点：

不能直接访问硬件，相比之下WebRTC之类的技术允许访问音视频捕获设备
没有完整的OpenGL特性支持
不允许原始TCP/UDP
其它浏览器厂商对其缺乏兴趣
不支持同步化的JavaScript调用，所有NaCl与JavaScript的交互均是异步的

替代技术

PPAPI (without NaCL)

本文上面已经提到过，PPAPI插件无法方便的安装，只能使用命令行参数

Google Native Messaging

该技术允许Chrome插件与本地程序进行消息交互。

优势：

支持运行本地代码，可以进行完整的硬件访问、原生TCP/UDP访问
支持从Chrome启动本地程序

劣势：

两个单独的安装程序：本地程序的安装、Chrome扩展的安装
难以获取视频数据返回给浏览器，不适合密集的数据传输

NaCl SDK安装步骤

Windows

到https://developer.chrome.com/native-client/sdk/download下载SDK
解压到D:\CPP\tools\Chromium\nacl_sdk
运行以下脚本：
```
cd nacl_sdk
naclsdk update --force
```
安装Python 2.7.x，并添加到PATH环境变量

Linux

下载SDK并解压到~/CPP/tools/Chromium/nacl_sdk

运行脚本：

sudo apt-get install libc6:i386

cd ~/CPP/tools/Chromium/nacl_sdk
./naclsdk update

vim ~/.bashrc
#添加以下内容
export PATH="$PATH":/home/alex/CPP/tools/Chromium/depot_tools
export NACL_SDK_ROOT=/home/alex/Chromium/nacl_sdk/pepper_39

如果没有安装Python 2.x，则apt-get安装

NaCl HelloWorld

开发环境准备

环境变量：

NACL_SDK_ROOT=D:\CPP\tools\nacl_sdk\pepper_39

如果安装了Cygwin，需要把Cygwin的bin目录从PATH中排除掉（可以通过Eclipse工程右键，Properties - C/C++ Build Environment设置），否则构建时可能收到类似“/x86_64-nacl-ld: cannot find -lppapi_gles2”的错误

IDE设置（Eclipse CDT）：

File - New - Makefile Project with existing Code，工程名称设置为nacl-helloworld，Existing Code Location定位到准备存放代码的目录，Toolchain for Indexer Settings选择Cross GCC
工程点右键 - Properties - C/C++ General - Paths and Symbols - Source Location，删除默认，与Makefile设置保持一致
工程点右键 - Properties - C/C++ General - Paths and Symbols - Output Location，删除默认，添加/project-root/***，***可以是glibc、newlib、pnacl等，根据Makefile中设置的工具链（VALID_TOOLCHAINS）来设置
工程点右键 - Properties - C/C++ General - Paths and Symbols - Includes - GNU C++，添加：${NACL_SDK_ROOT}/include、${NACL_SDK_ROOT}/toolchain/win_***/x86-64_bc-nacl/include，根据Makefile中设置的工具链（VALID_TOOLCHAINS）来设置
工程点右键 - Properties - C/C++ Build，取消勾选“Use default build command”，设置为make.bat
工程点右键 - Make Targets - Create，创建名为serve的构建目标

源代码列表

@%NACL_SDK_ROOT%\tools\make.exe %*

CONFIG = Debug

VALID_TOOLCHAINS := newlib glibc pnacl win

NACL_SDK_ROOT ?= $(abspath $(CURDIR)/../../..)

include $(NACL_SDK_ROOT)/tools/common.mk

TARGET = hello_world
LIBS = ppapi_cpp ppapi

CFLAGS = -Wall
SOURCES = hello_world.cc

$(foreach src,$(SOURCES),$(eval $(call COMPILE_RULE,$(src),$(CFLAGS))))

ifneq (,$(or $(findstring pnacl,$(TOOLCHAIN)),$(findstring Release,$(CONFIG))))
$(eval $(call LINK_RULE,$(TARGET)_unstripped,$(SOURCES),$(LIBS),$(DEPS)))
$(eval $(call STRIP_RULE,$(TARGET),$(TARGET)_unstripped))
else
$(eval $(call LINK_RULE,$(TARGET),$(SOURCES),$(LIBS),$(DEPS)))
endif

$(eval $(call NMF_RULE,$(TARGET),))

#include <string>

#include "ppapi/cpp/instance.h"
#include "ppapi/cpp/module.h"
#include "ppapi/cpp/var.h"


/**
 * NaCl实例类
 * 浏览器端的每一个embed标签对应了一个实例
 * 指定embed标签的属性：
 * src="hello_world.nmf"
 * type="application/x-pnacl"
 */
class HelloWorldInstance : public pp::Instance
{
    public:

        explicit HelloWorldInstance( PP_Instance instance ) :
                pp::Instance( instance )
        {
        }
        virtual ~HelloWorldInstance()
        {
        }

        /**
         * 处理浏览器端通过postMessage()调用传入的消息
         * @param var_message 浏览器传入的消息
         */
        virtual void HandleMessage( const pp::Var& var_message )
        {
            // 处理传入消息
            if ( !var_message.is_string() ) return;
            std::string message = var_message.AsString();
            pp::Var var_reply;
            if ( message == "hello" )
            {
                var_reply = pp::Var( "hello from NaCl" );
                PostMessage( var_reply );
            }
        }
};

/**
 * NaCl模块类
 */
class HelloWorldModule : public pp::Module
{
    public:
        HelloWorldModule() :
                pp::Module()
        {
        }
        virtual ~HelloWorldModule()
        {
        }

        /**
         * 在模块加载完成后，浏览器即调用此函数创建实例。
         * @param in 浏览器端的实例对象句柄
         * @return 插件端的实例对象
         */
        virtual pp::Instance* CreateInstance( PP_Instance instance )
        {
            return new HelloWorldInstance( instance );
        }
};

namespace pp
{
    /**
     * 该工厂函数在NaCl模块在加载时被浏览器调用一次，不会多次调用
     * 浏览器维持模块的单例
     *
     */
    Module* CreateModule()
    {
        return new HelloWorldModule();
    }
}

{
  "program": {
    "portable": {
      "pnacl-translate": {
        "url": "hello_world.pexe"
      }
    }
  }
}

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>hello World</title>
<script type="text/javascript">
    HelloWorldModule = null; // 全局模块对象
    statusText = 'NO-STATUS';

    function moduleDidLoad()
    {
        HelloWorldModule = document.getElementById( 'hello_world' );
        updateStatus( 'SUCCESS' );
        HelloWorldModule.postMessage('hello');
    }

    //处理NaCl模块发送的消息
    function handleMessage( message_event )
    {
        alert( message_event.data );
    }

    function pageDidLoad()
    {
        if ( HelloWorldModule == null )
        {
            updateStatus( 'LOADING...' );
        }
        else
        {
            updateStatus();
        }
    }

    function updateStatus( opt_message )
    {
        if ( opt_message ) statusText = opt_message;
        var statusField = document.getElementById( 'statusField' );
        if ( statusField )
        {
            statusField.innerHTML = statusText;
        }
    }
</script>
</head>
<body onload="pageDidLoad()">

    <div id="listener">
        <script type="text/javascript">
            var listener = document.getElementById( 'listener' );
            listener.addEventListener( 'load', moduleDidLoad, true );
            listener.addEventListener( 'message', handleMessage, true );
        </script>
        <embed id="hello_world" width=0 height=0 src="newlib/Debug/hello_world.nmf" type="application/x-nacl" />
    </div>
    <div>
        Status <code id="statusField">NO-STATUS</code>
    </div>
</body>
</html>

构建与运行

Project - Build Project，会生成hello_world.pexe文件
鼠标选中工程根目录，Shift + F9，选择serve
使用Chrome打开http://localhost:5103/，可以看到弹出消息框，显示来自NaCl模块的消息文本：“hello from NaCl”，运行成功

远程调试

在源代码hello_world.cc的79行，设置一个断点
修改Makefile，以Debug方式编译，并设置工具链把newlib置为默认：
```
CONFIG = Debug
VALID_TOOLCHAINS := newlib glibc pnacl win
```
Run - Debug Configurations，在C/C++ Remote Application目录下创建新的Debug配置
Main 选项卡
1. Name设置为nacl-helloworld newlib；Project选择nacl-helloworld
2. C/C++ Application填写：D:\CPP\projects\eclipse\4.3.2\nacl-helloworld\newlib\Debug\hello_world_x86_64.nexe
3. 底部的链接Select Other，点击后选择GDB(DSF) Manual Remote Debugging Launcher
4. 点选Disable auto build
Debugger选项卡
1. Stop on startup at设置为：Instance_DidCreate，或者取消勾选
2. GDB Debugger选择：%NACL_SDK_ROOT%\toolchain\win_x86_newlib\bin\x86_64-nacl-gdb.exe
3. 切换到子选项卡Connection，端口设置为4014
Source选项卡，点击Add - Path Mapping，Name设置为pepper_mapping，添加一个映射条目：\cygdrive\s\src\out 对应D:\CPP\tools\Chromium\nacl_sdk，可以在调试无法找到源代码时再行设置
点击Apply保存设置，然后点击Run，Eclipse Debugger开始等待连接到Chrome

在客户端设置以下环境变量：

rem 重定向stderr、stdout
set NACL_EXE_STDERR=F:\Temp\Chrome\nacl_stderr.log
set NACL_EXE_STDOUT=F:\Temp\Chrome\nacl_stdout.log
rem 重定向NaCl内部生成的消息，默认至stderr
set NACLLOG=F:\Temp\Chrome\nacl.log
rem 控制警告、错误信息的显示
set NACL_PLUGIN_DEBUG=1
rem 1-255，越高则信息越详细
set NACL_SRPC_DEBUG=255
set NACLVERBOSITY=255

运行make serve启动HTTP服务器

以参数--no-sandbox --enable-nacl-debug启动Chrome，如果使用ChromiumPortable，可以修改ChromiumPortable.ini：

[GoogleChromePortable]    
;--vmodule=ppb*=4 --enable-logging=stderr用于记录NaCl模块对Pepper API的调用
AdditionalParameters=--no-sandbox --enable-nacl-debug --disable-hang-monitor --vmodule=ppb*=4 --enable-logging=stderr

Chrome暂停运行，Eclipse自动停止在断点处，调试成功

编译NaClPorts

NaCl提供了一种跨平台的类POSIX环境，很多Linux下开源项目都可以在此环境下运行，但是需要特殊的编译过程（port to nacl），在Windows下，需要Cygwin才能编译ports。

Linux下NaclPorts编译举例：ffmpeg

安装需要的工具

sudo apt-get install curl sed git cmake texinfo gettext pkg-config autoconf automake libtool xsltproc
sudo apt-get install libglib2.0-dev

安装depot_tools，depot_tools是一个脚本工具包，用于管理代码的签出、review，包含gclient, gcl, git-cl, repo等工具

cd ~/CPP/tools/Chromium
git clone https://chromium.googlesource.com/chromium/tools/depot_tools.git

vim ~/.bashrc
#添加
export PATH=`pwd`/depot_tools:"$PATH"

签出naclports源代码

cd ~/CPP/tools/Chromium
mkdir naclports
cd naclports
gclient config --name=src  https://chromium.googlesource.com/external/naclports.git
gclient sync

进入/home/alex/CPP/tools/Chromium/naclports/src，可以看到若干Ports的源代码，每个子目录通常包含以下文件：
1. pkg_info：port的描述
2. build.sh：用于构建此port的脚本
3. nacl.patch：一个可选的补丁文件
构建port的工具位于naclports/bin/naclports，执行下面的脚本即可下载、打补丁、构建、安装目标应用或者库
```
naclports install <package_dir> 
```
注意NaCl模块可以在四种架构下构建（i686,x86_64, arm, pnacl），每次构建只会使用其中一种架构。某些架构下有多个Toolchain（例如x86有newlib、glibc），可以通过环境变量选择：
```
NACL_ARCH=i686 TOOLCHAIN=glibc make ffmpeg
```
如果要为某个port编译所有架构下所有工具链的版本，可以运行：
```
./make_all.sh ffmpeg
```
头文件、库被安装到对应工具链的目录下，使用这些库不需要额外的-I、-L参数。源码和编译的输出文件位于out/build/<PACKAGE_NAME>目录下。默认的，所有编译都是以RELEASE方式进行的，可以设置环境变量NACL_DEBUG=1来改变此行为，或者给naclports 传递 --debug参数。naclports会优先尝试直接从Google下载二进制包，如果要强制从源代码编译，可以传递--from-source参数

使用如下命令构建ffmpeg：

cd ~/CPP/tools/Chromium/naclports/src
NACL_ARCH=pnacl make ffmpeg

FAQ

如何让多个版本的Chrome共存

可以下载便携版（Portable）的Chromium：http://sourceforge.net/projects/crportable/

类似的，便携版的Chrome也有，可以到网上搜索并下载。

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