zCore入门-面向对象的Rust微内核

原创 thatway 那路谈OS与SoC嵌入式软件 2022-12-07 18:32 

前面介绍的**rCore**

操作系统：rCore入门-来自清华的OS前沿教程
，是清华的教学OS，相当于使用Rust语言山寨了下Linux
，是一个宏内核
。之前我有一篇文章介绍了微内核
：seL4微内核入门-微内核介绍
，相对来说微内核在学术上更严谨先进
一些，尽管性能不如宏内核，其他方面有点多，特别是安全性
。所以清华又搞了一个zCore
思路还是山寨，这次瞄上了谷歌Fuchsia的Zicron
微内核，见之前的文章Fuchsia入门-简介和代码介绍
，总结下：

  • rCore
    ：
    使用Rust语言山寨宏内核**Linux**

  • zCore
    ：
    使用Rust语言山寨微内核**Zicron**

注意：这里说的山寨不是完全参考，不同语言也全参考不了，实现方式有很多不同之处。上图
是王润基同学恶搞
了下谷歌Fuchsia的发布
，改成自己的了
真是新iPhone还没出来山寨就有了
。 

总结下，这些OS其实都有一个技术指向：**Rust**

+微内核
。谷歌的Fuchsia比较难产，所以逼急了又推出来一个KataOS
，见之前文章：KataOS入门-简介和代码编译
，直接用现成的seL4微内核+Rust
应用框架Sparrow
搞了。 

回归正题，关于zCore基本所有的资料在下面网址：

https://github.com/rcore-os/zcore_tutorial_developers

1. zCore简介

  • zCore 是用 Rust 语言重新实现的 Zircon 微内核
    。

  • 它运行在内核态，对外提供与 Zircon 完全相同的系统调用，因此能够运行原生的 Fuchsia 用户程序
    。

    之前的文章介绍过Fuchsia的强大，其应用程序更是兼容了安卓，另外对于微内核驱动也是应用，也可以应用Fuchsia强大的驱动程序。可见这个zCore的巨大应用价值。

2. 面向对象的内核

Zicron是用**c++**

写的，更适合用Rust
重写。有一个问题：
什么时候需要面向对象？
假如世界上只有一个上帝
，那就不需要面向对象。但是世界上还有几亿的人，人都有非常多的共性
，那答案就是有很多个
实例的时候就需要面向对象。回到内核，第一直觉是进程，这东西是多个
的，特别是用户进程，这必须可以面向对象啊，然后IPC通信，有很多进程直接又很多个
通道通信，很多个
就又可以面向对象。凡是可以有多个
的东西，都可以面向对象
。 

在c语言编写的内核或者宏内核中，经常用到抽象出来的**结构体**

，多个的表达就是结构体数组
或者结构体链表
，其辅助处理函数都要自己写，例如查找插入改变值等，很繁琐
。然后所有的东西都往进程结构体PCB
里面塞，很多机制理解起来很费力，要去看那个很大的PCB结构体去理解，一下就懵了
。人还是容易理解抽象出来的事物
然后加上简单的思维逻辑
，不抽象的混乱思维一会就晕了。 

**Zircon 是一个基于对象的内核**

。下面带你领略下面向对象的魅力，真是轻松学内核
的法宝。先来看一个zCore内核运行时组件层次框架图： 

大家知道一般程序处理的流程：**用户程序**

-》系统调用
-》内核
-》硬件
里面去处理。上图中
红框
里面就是把内核里面跟硬件无关的元素抽象出来，用面向对象
的方法表示出来。例如系统里面有多个
Process，一个Process实例里面有很多个
Handle和Rights指向其他的对象。

内核对象相关的三个重要概念：对象（Object），句柄（Handle），权限（Rights）。

  • 对象（Object）
    ：具备属性和行为的客体
    。客体之间可有各种联系。从简单的整数到复杂的操作系统进程等都可看做对象，它不仅仅表示具体的事物，还能表示抽象的规则、计划或事件。

  • 句柄（Handle）
    ：标识对象
    的符号，也可看成是一种指向对象的变量（也可称为标识符、引用、ID等）。

  • 权限（Rights）
    ：是指对象的访问者被允许在对象上执行的操作
    ，即对象的访问权限。当对象访问者打开对象的句柄，该句柄具有对其对象的访问权限的某种组合。

    说下我的理解，
    内核的资源都被抽象成对象，对象之间用句柄产生联系，这种联系为了安全性有权限限制，当没有句柄指向的对象也就是没用了会被收回。

用户程序操作内核对象的一些细节：

  • 创建
    ：每一种内核对象都存在一个系统调用来创建它，例如
    zx_channel_create
    。创建对象时一般需要传入一个参数选项 options，若创建成功则内核会将一个新句柄写入用户指定的内存中。

  • 使用
    ：获得对象句柄后可以通过若干系统调用对它进行操作，例如
    zx_channel_write
    。这类系统调用一般需要传入句柄 handle 作为第一个参数，内核首先对其进行检查，如果句柄非法或者对象类型与系统调用不匹配就会报错。接下来内核会检查句柄的权限是否满足操作的要求，例如 write 操作一般要求句柄具有 WRITE 权限，如果权限不满足就会继续报错。

  • 关闭
    ：当用户程序不再使用对象时，会调用
    zx_handle_close
    关闭句柄。当用户进程退出时，仍处于打开状态的句柄也都会自动关闭。

    总之，面向对象的代码很清晰
    ，很容易理解
    ，不绕弯子，利用面向对象的语法，代码行数能大大缩减
    ，预计5倍以上。上面的介绍大部分都是zCore教程里面的，这个教程更加的干货
    ，直接介绍核心概念，对OS基础知识进行了省略。同rCore教程一样也是从零开始自己写一个OS的教程
    ，这个感觉做的更好。

具体zCore的教程：
http://rcore-os.cn/zCore-Tutorial/index.html 

```  
# 3. rCore整体架构  

zCore的设计主要有两个出发点：  
- 内核对象的**封装**  
：将内核对象代码封装为一个库，保证可重用  

- 硬件接口的设计：使硬件与内核对象的设计**相对独立**  
，只向上提供统一、抽象的API接口  

项目设计从上到下，上层更远离硬件，下层更接近硬件，**架构**  
如下图所示：  

![][9]  

为了让 zCore 能够同时运行在内核态和用户态，我们在最下面设计了一个硬件抽象层（**HAL**  
），将内核所依赖的**底层**  
操作封装起来，在裸机环境和 Linux/macOS 环境上分别提供不同的实现。  

在 HAL 之上的核心是zircon-object，也就是 Zircon **内核对象**  
，这里面包含了所有内核机制的实现。  

在对象层之上是**系统调用**  
层，它负责将内核对象的功能封装成 Zircon syscall ABI 暴露给用户进程。  

再往上就是整个 OS 的顶层模块，它负责完成系统**初始化和加载**  
第一个用户进程的工作，并将所有模块组装到一起，生成一个可执行文件。  

zCore 设计的顶层是上层**操作系统**  
，比如   
zCore、rCore、Zircon
LibOS 和 Linux LibOS  
。在项目架构中，各版本的操作系统有部分**公用代码**  
。与 zCore 微内核设计实现相关的部分则主要是图中左侧**蓝色**  
线部分。  

    乍一看，真是**四不像**  
，有点像**嫁接**  
，共用一个根，嫁接上不同的枝条，枝条上可以结出不同的水果。感觉这就是程序的**高级玩法**  
，殊途同归，万法归一，还能相互转化，实在是高，万能工具啊  
。好处是，这几种OS上的应用都可以在zCore上运行，跟  
吃了几种水果一样甜  
啊。  

![][10]  
# 4. OS界的变形金刚  

![][11]  

    不仅如此，它还可以作为一个普通的用户进程运行在 Linux 或 macOS 的**用户态**  
，我们一般把这种模式称为 **LibOS**  
或 User-Mode OS。你甚至无需安装 QEMU 模拟器，只需装上 Rust 官方工具链，就可以编译运行体验 zCore！

git clone https://github.com/rcore-os/zCore --recursive cd zCore git lfs pull cargo run --release -p zircon-loader prebuilt/zircon



    既然可以用户态运行，那么它其实就是一个普通的用户程序。这带来了巨大的好处：我们可以在用户态开发，用 **gdb**  
配合 **IDE**  
调试，用**cargo test**  
 跑单元测试，统计测试覆盖率……这在之前的内核开发中是难以想象的。  

![][12]  

    zCore 作为 rCore 的继承者，它并没有把前辈丢掉。事实上，zCore 并不是一个独立的 OS，在它的仓库里还**藏着一个小 rCore**  
！只需使用以下命令，即可快速把它召唤出来，我们来运行一个原生 Linux 程序——Busybox：

make rootfs cargo run --release -p linux-loader /bin/busybox



![][13]  

    这里面的奥秘在于，Zircon 作为微内核，其实已经提供了内核中最关键的内存管理和进程管理的功能。我们只需在它基础上补充 Linux 作为**宏内**  
核的其它功能（例如文件系统），并对外提供**Linux 系统调用**  
接口，即可重新构造出一个新的 rCore。  
这就是微内核运行宏内核程序的关键，缺的东西再加一层壳子，再封装一层系统调用。  
# 5. 编程语言分析  

![][14]  

    官方 Zircon 是用 C++ 语言编写的，代码量约有 **10w**  
 行。而 zCore 只用了**1w**  
 行 Rust 就实现了其中大部分核心功能。虽然我们还差一些没有实现，但相差一个数量级的规模还是让我感到有些诧异。不过至少据我观察，C++ 的 Zircon 代码从设计上就**比较复杂**  
，用了各种**自己造的轮**  
子，并且充斥着魔法操作。相比之下，Rust 的 zCore 代码看起来更加自然，核心库自带的**基础设施**  
再加上一些社区库的辅助，用起来还是非常**舒服**  
的。  

    关于 Rust 大家更关心的另一个话题是 **unsafe**  
。在 zCore 中我们尽量避免了 unsafe 的使用，但没有绝对禁止（毕竟禁止就写不出来了）。据统计，在 HAL 之上大约有 20 个 unsafe，其中大部分用在了两个对象之间互相取 Weak 引用的操作，剩下的也比较容易检验正确性。而 HAL 之下 unsafe 就比较多了，由于贴近底层硬件，几乎处处 unsafe，也就跟 C 没什么区别了。不过好在 HAL 代码还是比较少的，不过几百行而已。  

    Rust 唯一的问题就是**门槛太高**  
了。然而对于编写内核这种对性能、稳定性、安全性都要求极高的程序而言，门槛高一点未必是坏处。在被 Rust 编译器反复教做人之后，才知道自己当初太天真，写出来的程序处处是隐患。  

**async 机制**  

    除了上面提到的用户态运行之外，zCore 还有一大创新之处：首次在内核中引入了 async **无栈协程**  
机制。  

    熟悉主流编程语言的朋友会知道，async 是近几年开始流行的一种语言特性，能够让开发者用同步的风格编写**异步**  
代码。它本质上是将代码变换成状态机，在 OS 线程的基础上又提供了一层轻量级的“协程”，使得程序能够高效处理异步 IO，同时保持开发的高效率。  

    Rust 语言于 2019 年底正式稳定了 **async-await**  
 语法，并于今年 3 月份的   
PR#69033  
 中为 no_std 环境下使用 async 扫清了障碍。这使得在内核中全面应用 async 机制成为了可能，而 zCore 可能是第一个吃螃蟹的人。（C++20 中也引入了同样的特性，不过考虑到历史包袱和生态问题，我比较怀疑能否真正用起来）  

    在传统 OS 中，每个内核线程需要有自己独立的**内核栈**  
。当线程挂起时，它的状态就保存在栈上。由于内核线程可能很多，因此每个线程的栈都不能太大，在 Linux 中一般是两个页也就是 8KB。而在 zCore 中，所有**内核线程都变成了协程**  
，在一个 CPU 核上共享同一个内核栈。当进入用户态时，内核栈不再清空，因为要保留必要的信息，于是内核-用户切换的风格从传统的「**用户态中断调用内核处理函数**  
」变成了「**内核主动调用函数切换到用户态执行**  
」。当任务挂起时，协程的状态被包装成 Future 存储在堆上。根据计算，目前每个 Future 状态机的大小约为 600B 左右，大幅节省了内存空间。  

    无栈协程相比线程的好处除了**空间占用少**  
以外，还有更小的**上下文切换开销**  
，进而实现更高的并发和吞吐率。不过它的缺点在于协作式、不可抢占，这可能会为系统的实时性带来挑战。关于二者之间的对比，还有待进一步的测试和分析。  
# zCore 的主要特性和创新点：  
- 第一个完全山寨的 Zircon 内核  

- 使用 Rust 编写，实现精简，层级清晰  

- 支持用户态开发、测试和运行  

- 第一个在内核中使用 async 机制  

    总的来说，zCore 应该是目前为止我们能想到、做到的，Rust 语言操作系统的集大成之作了。  

上面都是截取的，有兴趣参考王润基同学**官宣**  
的  
文章：  


https://zhuanlan.zhihu.com/p/137733625  

# 6. 代码下载体验  

![][15]  

已经运行过rCore环境的机器，可以直接下载zCore的代码体验下。  

参考代码：  


https://github.com/rcore-os/zCore  

**下载**  
命令：

Git clone https://github.com/rcore-os/zCore.git



**编译运行**  
命令：

cargo qemu --arch riscv64 ```

还是基于RISC-V
硬件的qemu虚拟机运行：

其实一个更好更全面的资料潘庆霖
的毕业论文：

https://raw.githubusercontent.com/wiki/rcore-os/zCore/files/pql-thesis.pdf

后记：

到此**微内核入门**

相关的一些OS介绍完了，基本只有一篇文章，给了些资料，简介，但是也写的很吃力，真是
万事开头难
。后续会根据大家的兴趣和自己的研究再深入剖析一下。另外，关于很多学术论文
的OS这里就不介绍了，目前要学的已经挺多了。

“啥都懂一点
，啥都不精通
，

干啥都能干
，干啥啥不是
，

专业入门劝退
，堪称程序员杂家
”。 

后续会继续更新，

纯干货
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