HAJIF在Linux系統(tǒng)上的移植與應(yīng)用

許向彥，王立凱，王曉輝

(中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

HAJIF是一款國產(chǎn)有限元分析軟件，涵蓋靜力、模態(tài)、屈曲等通用功能以及優(yōu)化、靜彈、顫振、熱應(yīng)力分析等專用求解功能，適用系統(tǒng)為Windows操作系統(tǒng)。隨著有限元軟件適用范圍越來越廣，使用者所使用的操作系統(tǒng)已不僅僅局限于Windows操作系統(tǒng)。一些使用者受限于操作系統(tǒng)的不可替換性，只能使用Linux系統(tǒng)。為此，必須完成HAJIF從Windows操作系統(tǒng)向Linux操作系統(tǒng)的移植，以滿足用戶的使用需求。

HAJIF軟件利用C、C++、Fortran等編程語言編寫而成，代碼量龐大，要完成HAJIF的軟件移植，對代碼進(jìn)行適應(yīng)Linux操作系統(tǒng)的重構(gòu)是一項既耗費時間又耗費人力的工作。鑒于此，本文利用Wine技術(shù)，成功構(gòu)建了HAJIF在Linux操作系統(tǒng)上的運行環(huán)境，同時通過對HAJIF求解器運行腳本進(jìn)行適應(yīng)性封裝，完成了HAJIF從Windows系統(tǒng)向Linux系統(tǒng)的全面移植。

2 相關(guān)技術(shù)

Wine是一個能夠在多種可移植操作系統(tǒng)接口上運行Windows應(yīng)用的兼容層，體現(xiàn)為一個Wine服務(wù)進(jìn)程和一組動態(tài)鏈接庫(相當(dāng)于Windows的眾多DLL)。在運行某個Windows應(yīng)用時，系統(tǒng)中至少有兩個進(jìn)程與之有關(guān)。

(1)應(yīng)用進(jìn)程本身

Windows應(yīng)用在運行時，所有對動態(tài)鏈接庫的調(diào)用都是在此進(jìn)程的上下文環(huán)境中運行。當(dāng)Windows應(yīng)用在Linux系統(tǒng)上運行，需要得到Wine的服務(wù)或者需要通過Wine間接提供的其他服務(wù)時，應(yīng)用進(jìn)程通過Wine所提供的動態(tài)鏈接庫逐層調(diào)用，直到Linux內(nèi)核級。需要注意的是，這個應(yīng)用進(jìn)程本身往往需要通過套接字和管道與Wine服務(wù)進(jìn)程通信，以接受服務(wù)進(jìn)程的管理和協(xié)調(diào)。

(2)Wine服務(wù)進(jìn)程

此進(jìn)程的主要作用有：提供Windows進(jìn)程間通信與同步的手段；提供Windows進(jìn)程和線程的管理等。

這些進(jìn)程以及動態(tài)鏈接庫的關(guān)系如圖1所示。

圖1 Windows應(yīng)用與Wine動態(tài)鏈接庫關(guān)系圖

實際上，具體的Windows應(yīng)用進(jìn)程是從另一個進(jìn)程，即Wine的作業(yè)裝入程序wine轉(zhuǎn)化而來的。用戶一開始啟動的是作業(yè)程序wine，通過參數(shù)化接受某個具體的Windows應(yīng)用，由wine為具體目標(biāo)程序的運行建立起與Wine服務(wù)進(jìn)程的連接，繼而通過裝入目標(biāo)程序，并調(diào)用適配于Linux操作系統(tǒng)的Wine動態(tài)鏈接庫即可達(dá)到運行目標(biāo)程序的目的。

3 HAJIF移植流程

HAJIF軟件在Windows操作系統(tǒng)下包含兩種使用方式：第一種使用方式與大多數(shù)有限元分析軟件類似，這種使用方式方便簡潔，通過在HAJIF前置界面中導(dǎo)入求解模型并設(shè)置模型材料屬性，以及載荷條件等參數(shù)，調(diào)用求解接口即可完成各載荷工況下的模型求解，同時可在HAJIF后置界面中對結(jié)果進(jìn)行圖形化顯示。針對擁有第三方前后置顯示系統(tǒng)而只需要使用HAJIF求解器的用戶，HAJIF提供了第二種使用方式，通過對HAJIF求解器腳本化封裝，使得用戶可以通過在Windows操作系統(tǒng)的DOS環(huán)境下調(diào)用HAJIF求解器運行腳本的方式，完成對HAJIF求解器的調(diào)用，繼而達(dá)到對模型求解的目的。

鑒于HAJIF在Windows操作系統(tǒng)下存在的兩種使用方式，在將HAJIF向Linux操作系統(tǒng)移植時，必須實現(xiàn)兩種移植方案。

3.1 圖形化HAJIF的移植

圖形化的HAJIF同時包含HAJIF前后置顯示系統(tǒng)HAJIF求解器，其存在形式為可執(zhí)行文件。所以，要完成圖形化HAJIF在Linux系統(tǒng)上的運行，利用Wine服務(wù)所提供的作業(yè)裝入程序wine將HAJIF應(yīng)用進(jìn)程裝入并轉(zhuǎn)換，同時調(diào)用Wine所提供的針對Linux的相應(yīng)動態(tài)鏈接庫來完成HAJIF移植。圖2描述了圖形化HAJIF的具體移植流程。

圖2 圖形化HAJIF移植流程

3.2 HAJIF求解器的移植

HAJIF求解器的移植不涉及具體的圖形化界面，在Windows操作系統(tǒng)上，單獨使用HAJIF求解器時，需要在DOS環(huán)境中調(diào)用求解器運行腳本，完成求解器調(diào)用。在Linux操作系統(tǒng)上，為了能夠單獨使用HAJIF求解器，實現(xiàn)了兩種移植方案來滿足用戶的不同使用需求。

3.2.1 模擬Windows DOS環(huán)境

該方案保持了HAJIF求解器在Windows系統(tǒng)下的原生調(diào)用方式，具體實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 模擬DOS環(huán)境移植流程

對于具有一定腳本閱讀與編寫能力的用戶來說，使用這種移植方案的好處在于可以使得用戶調(diào)用HAJIF求解器的方式更為靈活，用戶可以通過自行修改HAJIF求解器運行腳本內(nèi)容來實現(xiàn)自定義的求解功能。

3.2.2 腳本編譯封裝

與模擬Windows DOS環(huán)境的移植方案不同，腳本編譯封裝方案針對的主要是不具備腳本編寫能力的用戶，該方案通過把HAJIF的求解器運行腳本進(jìn)一步編譯生成對應(yīng)可執(zhí)行文件，來滿足此類用戶的使用需求，同時，可以簡化用戶的使用方式。圖4描述了該方案的具體流程。

圖4 腳本編譯封裝移植流程

需要注意的是，在對求解器腳本編譯封裝時，對于腳本內(nèi)必須自定義的內(nèi)容，比如求解器的存放路徑，通過提供應(yīng)用參數(shù)接口來滿足用戶的設(shè)置需求。

4 測試與驗證

4.1 測試環(huán)境

為了完成對上述幾種方案的可行性驗證，使用下面的運行環(huán)境進(jìn)行了測試：

(1)Windows操作系統(tǒng)：Windows7 64位；

(2)Linux操作系統(tǒng)：Ubuntu 16.04 LTS；

(3)Wine版本：wine-1.6.2。

4.2 圖形化HAJIF移植方案驗證

為了完成對圖形化HAJIF移植方案的驗證，利用兩個測試算例對移植至Linux系統(tǒng)中的HAJIF進(jìn)行了測試，將兩個測試算例分別導(dǎo)入HAJIF的前置系統(tǒng)中，模型測試結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 測試算例1導(dǎo)入圖

圖6 測試算例2導(dǎo)入圖

從兩幅結(jié)果圖中可以看出，移植后的HAJIF各項功能保存完整，界面布局顯示正確，對各自模型的節(jié)點單元以及其他屬性也有正確的表示。

4.3 HAJIF求解器的移植方案驗證

HAJIF的求解器有兩種移植方案，分別為模擬Windows DOS環(huán)境方案與腳本編譯封裝方案。在Linux系統(tǒng)中模擬Windows DOS環(huán)境并在此環(huán)境中調(diào)用HAJIF求解器運行腳本，對算例1進(jìn)行求解，將求解結(jié)果導(dǎo)入HAJIF中對其加載，加載結(jié)果如圖7所示。將求解器運行腳本進(jìn)行編譯封裝，并將其裝入wine作業(yè)程序中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在wine中對算例2進(jìn)行求解，將求解結(jié)果導(dǎo)入HAJIF中，結(jié)果如圖8所示。

圖7 模擬DOS環(huán)境計算結(jié)果圖

圖8 腳本編譯封裝計算結(jié)果圖

從圖7、圖8可以看出，兩種移植方案都完成了對HAJIF求解器的成功移植，得到了正確的計算結(jié)果，同時，計算結(jié)果也可以在移植后的HAJIF中正確顯示。

5 結(jié)束語

本文基于Wine技術(shù)，完成了HAJIF結(jié)構(gòu)分析軟件從Windows操作系統(tǒng)向Linux操作系統(tǒng)的成功移植。在不丟失計算效率與計算準(zhǔn)確度的前提下，保證了HAJIF軟件的功能完備性。相比于代碼重構(gòu)方案，大大節(jié)省了人力成本與時間成本。同時，針對不同的Linux用戶，提供了不同的HAJIF求解器調(diào)用方案，具備一定的實用價值。