在 Android 运行 GNU/Linux 二进制程序 (proot)

在 GNU/Linux 系统上运行 Android 应用比较容易 (比如 waydroid), 但是反过来就很麻烦了.

Android 虽然也使用 Linux 内核 (kernel), 但是系统环境和一般的 GNU/Linux 系统 (比如 ArchLinux, Debian, Ubuntu, Fedora, NixOS 等) 具有不可忽略的显著差异, 所以为 GNU/Linux 编译的二进制可执行文件, 不能拿过来直接运行.

想要在 Android 系统运行这些应用, 有几种不同的方法. 性能最高的方法当然是重新编译, 编译后的二进制文件就可以直接在 Android 运行了, Termux 就是这么做的. 但是, 虽然最后一步很简单, 前面的为 Android 编译, 就是很麻烦甚至很困难的了.

如果能把为 GNU/Linux 编译的二进制文件直接拿来, 不加修改的运行, 在很多情况下会简单容易很多. proot 就是一种这样的技术. proot 通过使用 Linux 内核的 ptrace 功能, 对程序的内核调用 (syscall) 进行翻译, 从而实现一个很薄的兼容层, 性能只有很小的损失 (并不是虚拟机方法).

本文以应用程序 deno 举栗, 介绍在 Android 运行的方法. 本文不仅介绍最终结果 (具体的实现方案), 还重点说明探索的过程, 也就是这个结果是如何获得的.

1 获取所需文件

本文的目标是构建一个相对独立的, 最小的运行环境. 这个运行环境所需的各种文件, 需要从多个地方分别获取.

(1) proot (termux)

首先在手机上安装 Termux: https://termux.dev/

然后在 Termux 中安装 proot:
```
> pkg install proot
```
(2) GNU/Linux 系统文件包 (proot-distro)

这个需要从 proot-distro 的发布页面下载: https://github.com/termux/proot-distro/releases

下载这个文件: debian-bookworm-aarch64-pd-v4.7.0.tar.xz
(3) deno (aarch64 linux)

这个需要从 deno 的发布页面下载: https://github.com/denoland/deno/releases

下载这个文件 (v1.41.0): deno-aarch64-unknown-linux-gnu.zip

2 组装运行环境

万事俱备, 可以开始拼凑运行环境了 !

(1) proot 运行所需文件.

先来看看 proot 软件包都有哪些文件 (在 termux 中操作):
```
> dpkg -L proot
```
其中 usr/bin/proot 是 proot 的可执行文件, usr/libexec/proot/loader 这个也是 proot 的重要组成部分.

再来看看 proot 的依赖库:
```
> ldd /data/data/com.termux/files/usr/bin/proot
```
libtalloc.so.2 这个是 proot 运行所需要的库文件, 需要注意. libc.so, ld-android.so, libdl.so 这些库是 Android 系统自身提供的, 不用管.
(2) deno 运行所需文件.

把压缩包 deno-aarch64-unknown-linux-gnu.zip 解压之后, 把里面的 deno 文件拿出来, 放到 termux 中, 然后:
```
> ldd deno
```
这里可以看到一些依赖库文件: libgcc_s.so.1, libpthread.so.0, libm.so.6, libc.so.6 等.

deno 使用 rust 编程语言开发, 虽然 rust 号称是静态链接, 在最后生成的单个二进制可执行文件中打包所有依赖, 但实际上还是有少量系统库是动态链接的 (比如 glibc).

把压缩包 debian-bookworm-aarch64-pd-v4.7.0.tar.xz 解压之后, 从里面获取此处所需的库文件.

(3) 开始组装:

> find setup
setup
setup/proot
setup/loader
setup/libtalloc.so.2
setup/run.sh
setup/setup.sh
setup/debian12_aarch64
setup/debian12_aarch64/usr
setup/debian12_aarch64/usr/bin
setup/debian12_aarch64/usr/bin/env
setup/debian12_aarch64/usr/bin/deno
setup/debian12_aarch64/usr/lib
setup/debian12_aarch64/usr/lib/aarch64-linux-gnu
setup/debian12_aarch64/usr/lib/aarch64-linux-gnu/ld-linux-aarch64.so.1
setup/debian12_aarch64/usr/lib/aarch64-linux-gnu/libc.so.6
setup/debian12_aarch64/usr/lib/aarch64-linux-gnu/libm.so.6
setup/debian12_aarch64/usr/lib/aarch64-linux-gnu/libpthread.so.0
setup/debian12_aarch64/usr/lib/aarch64-linux-gnu/libgcc_s.so.1
setup/debian12_aarch64/usr/lib/aarch64-linux-gnu/libdl.so.2

这是最终组装好的运行环境的文件清单, 所有文件放在 setup 目录中. 其中 proot, loader, libtalloc.so.2 是从 termux 中获取的. usr/bin/deno 是从压缩包 deno-aarch64-unknown-linux-gnu.zip 中获取的. debian12_aarch64 目录中的文件是从压缩包 debian-bookworm-aarch64-pd-v4.7.0.tar.xz 中获取的.

其中 setup.sh 文件:

#!/system/bin/sh
echo setup.sh $1
#cd $1

chmod +x run.sh
chmod +x proot
chmod +x loader

chmod +x debian12_aarch64/usr/bin/env
chmod +x debian12_aarch64/usr/bin/deno

mkdir -p tmp
mkdir -p debian12_aarch64/tmp

ln -s usr/lib debian12_aarch64/lib
ln -s aarch64-linux-gnu/ld-linux-aarch64.so.1 debian12_aarch64/usr/lib/ld-linux-aarch64.so.1

echo setup ok.

这个脚本用来做一些初始化的事情.

其中 run.sh 文件:

#!/system/bin/sh
export LD_LIBRARY_PATH=$(pwd)

export PROOT_TMP_DIR=$(pwd)/tmp
export PROOT_LOADER=$(pwd)/loader

./proot \
  --bind=debian12_aarch64/tmp:/dev/shm \
  --bind=/sys \
  --bind=/proc/self/fd/2:/dev/stderr \
  --bind=/proc/self/fd/1:/dev/stdout \
  --bind=/proc/self/fd/0:/dev/stdin \
  --bind=/proc/self/fd:/dev/fd \
  --bind=/proc \
  --bind=/dev/urandom:/dev/random \
  --bind=/dev \
  -L \
  --kernel-release=6.2.1-PRoot-Distro \
  --sysvipc \
  --link2symlink \
  --kill-on-exit \
  --cwd=/ \
  --change-id=0:0 \
  --rootfs=debian12_aarch64 \
  /usr/bin/deno "$@"

这个脚本调用 proot 来运行 deno.

3 测试

测试设备: 手机 Android 11 (MIUI 12.5)

使用 USB 数据线连接 PC 和手机:

> adb devices
List of devices attached
643fa0f6	device

然后:

> adb push setup /data/local/tmp
setup/: 13 files pushed, 0 skipped. 62.6 MB/s (94798346 bytes in 1.444s)
> adb shell
raphael:/ $ cd /data/local/tmp/setup
raphael:/data/local/tmp/setup $ ls -l
total 288
drwxrwxr-x 3 shell shell   4096 2024-02-27 21:15 debian12_aarch64
-rw-rw-rw- 1 shell shell  30504 2024-02-26 19:39 libtalloc.so.2
-rw-rw-rw- 1 shell shell   5736 2024-02-27 01:59 loader
-rwxrwxrwx 1 shell shell 213976 2024-02-26 19:39 proot
-rwxrwxrwx 1 shell shell    590 2024-02-27 03:38 run.sh
-rw-rw-rw- 1 shell shell    356 2024-02-27 03:34 setup.sh
raphael:/data/local/tmp/setup $ chmod +x setup.sh
raphael:/data/local/tmp/setup $ ./setup.sh
setup.sh
setup ok.
raphael:/data/local/tmp/setup $ ls -l
total 296
drwxrwxr-x 4 shell shell   4096 2024-02-27 21:16 debian12_aarch64
-rw-rw-rw- 1 shell shell  30504 2024-02-26 19:39 libtalloc.so.2
-rwxrwxrwx 1 shell shell   5736 2024-02-27 01:59 loader
-rwxrwxrwx 1 shell shell 213976 2024-02-26 19:39 proot
-rwxrwxrwx 1 shell shell    590 2024-02-27 03:38 run.sh
-rwxrwxrwx 1 shell shell    356 2024-02-27 03:34 setup.sh
drwxrwxrwx 2 shell shell   4096 2024-02-27 21:16 tmp
raphael:/data/local/tmp/setup $ ./run.sh --version
deno 1.41.0 (release, aarch64-unknown-linux-gnu)
v8 12.1.285.27
typescript 5.3.3
raphael:/data/local/tmp/setup $ ./run.sh repl -A
Deno 1.41.0
exit using ctrl+d, ctrl+c, or close()
> 0.1 + 0.2
0.30000000000000004
>

成功运行了 GNU/Linux (aarch64) 版本的 deno.

在这里插入图片描述

4 总结与展望

在 proot, termux, proot-distro 的帮助下, 我们终于成功在 Android 运行了最新版 deno. 这个小的运行环境是相对独立的, 可以单独拿出来放在一个地方就能运行.

虽然 proot 的工作原理很简单, 这个方案看起来也很简单, 窝之前以为不用费多大功夫就能轻松搞定. 实际上却是这也不行, 那也不行, 这里有问题, 那里也有问题, 这里是坑, 那里也是坑 … . 折腾了好久, 遭遇了许多困难和挫折, 因为太笨气哭了好几次, 擦干眼睛旁边的小小水滴之后, 才有了这个最终方案. 好在最后雨过天晴了, 努力没有白费.

最好的方法还是重新编译, 然后直接在 Android 运行. 但是为 Android 编译很麻烦甚至很困难的情况下, 本文的方法就是一个好的替代方案.