2024秋冬季OS项目基础阶段博客

source/_posts/2024年开源操作系统训练营总结-winddevil/ArceOS第一节课笔记.md

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+# 解决`rust-analyzer`的问题
+
+创建:`.vscode/settings.json`:
+
+```json
+{
+    "rust-analyzer.cargo.features": ["axstd"]
+}
+```
+
+> 这里一定要注意对`rust-analyzer`进行`Restart Server`,这个操作也可以见[我的这篇博客](https://www.cnblogs.com/chenhan-winddevil/p/18402660).
+
+# 直接用vscode打开wsl环境下的工程
+
+直接在`wsl`的`cmd`下输入`code .`.
+
+这里可能会显示在安装`VSCode Server`,不是在安装`VSCode`本身,而是在安装一个服务,安装好自己就帮你打开了.
+
+# 组件化内核
+
+不同的内核要求就有不同的设计.
+
+Linux是宏内核就照着宏内核设计.
+
+那么组件化内核就照着组件化内核设计.
+
+复杂的内核=很多小的内核合起来的
+
+宏内核和Hypervisor与Unikernel没有明显的界限,因为这实际上是一个设计模式.
+
+- 协作性
+- 定位容易,维护难度低
+- 开发效率高
+
+用组件化内核替代原本的宏内核.但是这个内核是组件化开发的,最终组成一个总的内核.
+
+# UniKernel
+
+有一个非常不同的地方**应用和内核都在内核态并且在同一个地址空间里,互相是可见的**.
+
+> **RTOS**似乎就是一个**UniKernel**.
+
+那么打包完是同一个image.
+
+那么宏内核是内核是一个image应用是另一个image,用syscall来打通.
+
+因为是**同一特权级**,所以安全性不太行.
+
+那么如果UniKernel需要保证安全性,那么就需要Hypervisor来帮你解决这个问题.
+
+不同的组件可以用axruntime来组织.
+
+裸机->逻辑程序
+
+裸机->unikernel->OS程序
+
+用OS去实现RTOS.
+
+> 用裸机+虚拟化实现类似于`docker`的功能.
+
+# 实验支撑的开发
+
+每一节课是一个针对每个需求的内核.
+
+那么新的内核是从旧的内核组建而成的.
+
+宏内核和Unikernel的区别是加了用户特权级和用户的地址空间.看起来是增加了两个组件形成的,实际上到了很远的一条路.
+
+让Unikernel实现Hypervisor,这样就可以实现虚拟化.从Host升级到Guest.
+
+	宏内核的东西比较复杂
+
+# 实验环境的建立
+
+使用WSL2+Ubuntu 22.04.2 LTS环境.
+
+[安装 WSL | Microsoft Learn](https://learn.microsoft.com/zh-cn/windows/wsl/install)
+
+[Windows Terminal - Windows官方下载 | 微软应用商店 | Microsoft Store](https://apps.microsoft.com/detail/9n0dx20hk701?rtc=1&hl=zh-cn&gl=CN)
+
+
+# 框架
+
+![](00%20inbox/asset/Pasted%20image%2020241113192552.png)
+
+# 引导过程
+
+是通过axhal.
+
+实际上使用的是`_start`这个指针.
+
+通过一系列的asm操作来进行完成页表和函数调用和MMU的启动的支持.
+
+# 日志级别控制与features
+
+使用`Cargo.toml`来控制`features`.
+
+使用环境变量:
+1. 具体环境变量
+2. 使用通用环境变量
+
+三个部分汇集起来到axfeat
+
+# 课后练习-支持带颜色的打印输出
+
+\[print_with_color\]: 支持带颜色的打印输出。
+
+要求： 
+1. 修改一个组件的实现 
+2. 执行make run A=exercises/print_with_color  
+
+> 这一点非常重要
+
+预期：字符串输出带颜色。（具体颜色不做要求）    
+提示：在不同层次的组件上修改，影响的输出范围不同。
+例如，修改axstd可能只影响println!的输出；修改axhal则可能一并影响ArceOS启动信息的颜色。
+
+## 通过修改APP层实现
+
+修改`exercises\print_with_color\src\main.rs`:
+
+```rust
+... ...
+fn main() {     
+	println!("\x1b[31m[WithColor]: Hello, Arceos!\x1b[0m"); 
+} 
+```
+
+> 分支名称:`print_with_color_app`
+
+## 通过修改`ulib:axstd`来实现
+
+在`ulib\axstd\src\macros.rs`:
+```rust
+#[macro_export]
+macro_rules! print {
+    ($($arg:tt)*) => {
+        $crate::io::__print_impl(format_args!("\x1b[31m{}\x1b[0m", format_args!($($arg)*)));
+    }
+}
+
+/// Prints to the standard output, with a newline.
+#[macro_export]
+macro_rules! println {
+    () => { $crate::print!("\n") };
+    ($($arg:tt)*) => {
+        $crate::io::__print_impl(format_args!("\x1b[31m{}\n\x1b[0m", format_args!($($arg)*)));
+    }
+}
+```
+
+> 分支名称:`print_with_color_axstd`
+## 通过修改`axhal:write_bytes`来实现
+
+修改`modules\axhal\src\lib.rs`:
+```rust
+... ...
+pub mod console {
+    pub use super::platform::console::*;
+
+    /// Write a slice of bytes to the console.
+    pub fn write_bytes(bytes: &[u8]) {
+        let color_begin = "\x1b[31m";
+        let color_end = "\x1b[0m";
+        for c in color_begin.bytes() {
+            putchar(c);
+        }
+        for c in bytes {
+            putchar(*c);
+        }
+        for c in color_end.bytes() {
+            putchar(c);
+        }
+    }
+}
+... ...
+```
+
+> 分支名称:`print_with_color_axhal`
+
+## 通过修改`axlog:ax_println`来实现(不了)
+
+可以看到:`modules\axruntime\src\lib.rs`里调用了这个宏,
+```rust
+... ...
+pub extern "C" fn rust_main(cpu_id: usize, dtb: usize) -> ! {
+    ax_println!("{}", LOGO);
+    ax_println!(
+        "\
+        arch = {}\n\
+        platform = {}\n\
+        target = {}\n\
+        smp = {}\n\
+        build_mode = {}\n\
+        log_level = {}\n\
+        ",
+        option_env!("AX_ARCH").unwrap_or(""),
+        option_env!("AX_PLATFORM").unwrap_or(""),
+        option_env!("AX_TARGET").unwrap_or(""),
+        option_env!("AX_SMP").unwrap_or(""),
+        option_env!("AX_MODE").unwrap_or(""),
+        option_env!("AX_LOG").unwrap_or(""),
+    );
+    #[cfg(feature = "rtc")]
+    ax_println!(
+        "Boot at {}\n",
+        chrono::DateTime::from_timestamp_nanos(axhal::time::wall_time_nanos() as _),
+    );
+... ...
+}
+```
+
+并且这个宏的位置在`modules\axlog\src\lib.rs`,我们修改它:
+```rust
+... ...
+macro_rules! ax_println {
+    () => { $crate::ax_print!("\n") };
+    ($($arg:tt)*) => {
+        $crate::__print_impl(format_args!("\x1b[31m{}\x1b[0m\n", format_args!($($arg)*)));
+    }
+}
+... ...
+```
+
+**这里只能使得如下部分变成红色**,而不能满足题意:
+```shell
+       d8888                            .d88888b.   .d8888b.
+      d88888                           d88P" "Y88b d88P  Y88b
+     d88P888                           888     888 Y88b.
+    d88P 888 888d888  .d8888b  .d88b.  888     888  "Y888b.
+   d88P  888 888P"   d88P"    d8P  Y8b 888     888     "Y88b.
+  d88P   888 888     888      88888888 888     888       "888
+ d8888888888 888     Y88b.    Y8b.     Y88b. .d88P Y88b  d88P
+d88P     888 888      "Y8888P  "Y8888   "Y88888P"   "Y8888P"
+
+arch = riscv64
+platform = riscv64-qemu-virt
+target = riscv64gc-unknown-none-elf
+smp = 1
+build_mode = release
+log_level = warn
+```
+
+> 分支名称:`print_with_color_axlog`
+
+# 问题和疑问
+
+1. `make`是怎么编译的?
+2. `axruntime`是怎么加载的编译好的APP并且运行的?
+3. `sbi`用的什么?
+
+# 为`axstd`支持`Collections`
+
+具体可以看这里的介绍:[集合类型 - Rust语言圣经(Rust Course)](https://course.rs/basic/collections/intro.html)
+
+最开始我学`Rust`的时候没有内化这个概念.
+
+实际上集合类型就是`Vector`和`HashMap`以及`String`这样的类型.
+
+其实到这里我们自己就可以总结出了:
+
+类型长度可变->指针地址和大小变量存在栈上,具体内容存在堆上->需要堆的支持->需要动态内存分配器.
+
+那么实际上要支持`Collections`就是要支持一个动态内存分配器.
+
+`rCore`中对动态内存分配器的描述:[[rCore学习笔记 028] Rust 中的动态内存分配 - winddevil - 博客园](https://www.cnblogs.com/chenhan-winddevil/p/18442833)
+
+`rCore`中引用的动态内存分配器:[[rCore学习笔记 029] 动态内存分配器实现-以buddy_system_allocator源码为例 - winddevil - 博客园](https://www.cnblogs.com/chenhan-winddevil/p/18447537)
+
+![](00%20inbox/asset/Pasted%20image%2020241117150533.png)
+
+这里注意这张图,在`Unikernel`中,内存管理器也是和APP放在一起的,主要的思想还是**APP和Kernel在同一特权级**.
+
+## `alloc`实现接口
+
+![](00%20inbox/asset/Pasted%20image%2020241117151558.png)
+
+这个是需要实现两个功能:
+1. 实现`byteAllocator`和`pageAllocatir`.
+2. `byteAllocator`只需要实现`rust`自带的一个`Trait`即`#[global_alloctor]`即可
+3. `pageAllocator`的实现方式是用了一个全局变量来实现相应的功能的
+
+这里的源代码在`modules/axalloc/src/lib.rs`这里看.
+
+> 这里是实现了一个`GlobalAllocator`类,然后实例化一个
+> 1. 实现`GlobalAlloc`的`Trait`给它,有`alloc`和`dealloc`这两个方法,即可实现内存分配.用`#[global_alloctor]`标注这个实例即可.
+> 2. 为`GlobalAllocator`实现了`alloc_pages`和`dealloc_pages`,通过直接获取这个实例
+
+这里实现的时候`trait`的`fn`和`struct`本身的`fn`重合,这是允许的.
+
+> 调用时,`MyTrait::do_something(&struct)`和`struct.do_something`两种调用形式是调用的不同的方法.
+
+
+实现方法:
+
+![](00%20inbox/asset/Pasted%20image%2020241117154427.png)
+
+
+1. 最开始的时候页分配器是先分配一部分内存给字节分配器的
+2. 先找字节分配器分配,任何如果不够了找页分配器追加
+
+在当前为了给`HashMap`提供分配器的是`core`库里`allocator`里自带的`TlsfByteAllocator`作为**字节分配器**,`BitmapPageAllocator`作为**页分配器**.
+
+那么为了实现自己的字节分配器就需要要给它实现两个`Trait`,即`BaseAllocator`和`ByteAllocator`.
+
+这个下一节可能会讲到.
+
+# 课后练习-支持HashMap类型
+
+![](00%20inbox/asset/Pasted%20image%2020241114214732.png)
+
+这里要搞懂关于库的文件夹的互相依赖关系.
+
+## 为什么`core`里没`HashMap`?
+
+因为`HashMap`需要的随机数生成器涉及到**体系结构**.
+
+那么这里的`random()`是来自于`axhal`就非常的合理了.
+
+## 有关于`Cargo.toml`
+
+两个`Cargo.toml`:
+1. `.\Cargo.toml`
+2. `ulib\axstd\Cargo.toml`
+
+使用`cargo tree -p axstd -e features`可以很好地看到`features`结构.
+
+# 有关于结构问题
+
+这里注意一点,在`ulib/axstd/src/lib.rs`里已经引用了`collections`,
+```rust
+pub use alloc::{boxed, collections, format, string, vec};
+```
+
+而在`exercises/support_hashmap/src/main.rs`里引用的是:
+```rust
+use std::collections::HashMap;
+```
+
+在`rust`[这个项目](https://github.com/rust-lang/rust)里发现,`library\alloc`的`collection`里并没有`HashMap`,`HashMap`是在`library\std`的`collection`里.
+
+所以其实我们是要把这两个`collection`的内容合并.
+
+## 直接使用`hashbrown`
+
+创建`ulib/axstd/src/collections/mod.rs`:
+```rust
+// 合并alloc::collections里的内容
+pub use alloc::collections::*;
+// 引用hashbrown
+pub use hashbrown::HashMap;
+```
+
+在`ulib/axstd/Cargo.toml`加入`hashbrown`:
+```toml
+... ...
+[dependencies]
+... ...
+hashbrown = "0.15.1"
+... ...
+```
+
+## 完全仿写`std`库
+
+自己实现以`hashbrown::HashMap`为`base`的`HashMap`.
+
+通过题中给出的`random`实现`RandomState`.
+
+想在`axstd`中调用`axhal/random`,需要在`ulib/axstd/Cargo.toml`里加入:
+```toml
+[dependencies]
+axhal = { workspace = true }
+```
+
+`#TODO`
+## 拉链法实现
+
+`#TODO`
+
+
+
+
+