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<!DOCTYPE HTML>
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<html lang="cn" class="sidebar-visible no-js light">
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<head>
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<!-- Book generated using mdBook -->
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<meta charset="UTF-8">
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<title>✅ 初识内核对象 - 简明 zCore 教程</title>
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<!-- Custom HTML head -->
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<meta content="text/html; charset=utf-8" http-equiv="Content-Type">
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<meta name="description" content="">
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<meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1">
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<meta name="theme-color" content="#ffffff" />
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<link rel="icon" href="favicon.svg">
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<link rel="shortcut icon" href="favicon.png">
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<link rel="stylesheet" href="css/variables.css">
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<link rel="stylesheet" href="css/general.css">
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<link rel="stylesheet" href="css/chrome.css">
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<link rel="stylesheet" href="css/print.css" media="print">
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<!-- Fonts -->
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<link rel="stylesheet" href="FontAwesome/css/font-awesome.css">
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<link rel="stylesheet" href="fonts/fonts.css">
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<!-- Highlight.js Stylesheets -->
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<link rel="stylesheet" href="highlight.css">
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<link rel="stylesheet" href="tomorrow-night.css">
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<link rel="stylesheet" href="ayu-highlight.css">
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<!-- Custom theme stylesheets -->
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</head>
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<body>
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<!-- Provide site root to javascript -->
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<script type="text/javascript">
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var path_to_root = "";
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var default_theme = window.matchMedia("(prefers-color-scheme: dark)").matches ? "navy" : "light";
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</script>
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<!-- Work around some values being stored in localStorage wrapped in quotes -->
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<script type="text/javascript">
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try {
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var theme = localStorage.getItem('mdbook-theme');
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var sidebar = localStorage.getItem('mdbook-sidebar');
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if (theme.startsWith('"') && theme.endsWith('"')) {
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localStorage.setItem('mdbook-theme', theme.slice(1, theme.length - 1));
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}
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if (sidebar.startsWith('"') && sidebar.endsWith('"')) {
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localStorage.setItem('mdbook-sidebar', sidebar.slice(1, sidebar.length - 1));
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}
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} catch (e) { }
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</script>
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<!-- Set the theme before any content is loaded, prevents flash -->
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<script type="text/javascript">
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var theme;
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try { theme = localStorage.getItem('mdbook-theme'); } catch(e) { }
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if (theme === null || theme === undefined) { theme = default_theme; }
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var html = document.querySelector('html');
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html.classList.remove('no-js')
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html.classList.remove('light')
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html.classList.add(theme);
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html.classList.add('js');
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</script>
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<!-- Hide / unhide sidebar before it is displayed -->
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<script type="text/javascript">
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var html = document.querySelector('html');
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var sidebar = 'hidden';
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if (document.body.clientWidth >= 1080) {
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try { sidebar = localStorage.getItem('mdbook-sidebar'); } catch(e) { }
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sidebar = sidebar || 'visible';
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}
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html.classList.remove('sidebar-visible');
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html.classList.add("sidebar-" + sidebar);
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</script>
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<nav id="sidebar" class="sidebar" aria-label="Table of contents">
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<div class="sidebar-scrollbox">
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<ol class="chapter"><li class="chapter-item expanded affix "><a href="index.html">简明 zCore 教程</a></li><li class="chapter-item expanded affix "><a href="zcore-intro.html">🚧 zCore 整体结构和设计模式</a></li><li class="chapter-item expanded affix "><a href="fuchsia.html">🚧 Fuchsia OS 和 Zircon 微内核</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="ch01-00-object.html"><strong aria-hidden="true">1.</strong> 内核对象</a></li><li><ol class="section"><li class="chapter-item expanded "><a href="ch01-01-kernel-object.html" class="active"><strong aria-hidden="true">1.1.</strong> ✅ 初识内核对象</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="ch01-02-process-object.html"><strong aria-hidden="true">1.2.</strong> 🚧 对象管理器：Process 对象</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="ch01-03-channel-object.html"><strong aria-hidden="true">1.3.</strong> 🚧 对象传送器：Channel 对象</a></li></ol></li><li class="chapter-item expanded "><a href="ch02-00-task.html"><strong aria-hidden="true">2.</strong> 任务管理</a></li><li><ol class="section"><li class="chapter-item expanded "><a href="ch02-01-zircon-task.html"><strong aria-hidden="true">2.1.</strong> 🚧 Zircon 任务管理体系</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="ch02-02-process-job-object.html"><strong aria-hidden="true">2.2.</strong> 🚧 进程管理：Process 与 Job 对象</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="ch02-03-thread-object.html"><strong aria-hidden="true">2.3.</strong> 🚧 线程管理：Thread 对象</a></li></ol></li><li class="chapter-item expanded "><a href="ch03-00-memory.html"><strong aria-hidden="true">3.</strong> 内存管理</a></li><li><ol class="section"><li class="chapter-item expanded "><a href="ch03-01-zircon-memory.html"><strong aria-hidden="true">3.1.</strong> 🚧 Zircon 内存管理模型</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="ch03-02-vmo.html"><strong aria-hidden="true">3.2.</strong> 🚧 物理内存：VMO 对象</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="ch03-03-vmo-paged.html"><strong aria-hidden="true">3.3.</strong> 🚧 物理内存：按页分配的 VMO</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="ch03-04-vmar.html"><strong aria-hidden="true">3.4.</strong> 🚧 虚拟内存：VMAR 对象</a></li></ol></li><li class="chapter-item expanded "><a href="ch04-00-userspace.html"><strong aria-hidden="true">4.</strong> 用户程序</a></li><li><ol class="section"><li class="chapter-item expanded "><a href="ch04-01-user-program.html"><strong aria-hidden="true">4.1.</strong> 🚧 Zircon 用户程序</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="ch04-02-context-switch.html"><strong aria-hidden="true">4.2.</strong> 🚧 上下文切换</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="ch04-03-syscall.html"><strong aria-hidden="true">4.3.</strong> 🚧 系统调用</a></li></ol></li><li class="chapter-item expanded "><a href="ch05-00-signal-and-waiting.html"><strong aria-hidden="true">5.</strong> 信号和等待</a></li><li><ol class="section"><li class="chapter-item expanded "><a href="ch05-01-wait-signal.html"><strong aria-hidden="true">5.1.</strong> 🚧 等待内核对象的信号</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="ch05-02-port-object.html"><strong aria-hidden="true">5.2.</strong> 🚧 同时等待多个信号：Port 对象</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="ch05-03-more-signal-objects.html"><strong aria-hidden="true">5.3.</strong> 🚧 实现更多：EventPair, Timer 对象</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="ch05-04-futex-object.html"><strong aria-hidden="true">5.4.</strong> 🚧 用户态同步互斥：Futex 对象</a></li></ol></li></ol>
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</div>
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<div id="sidebar-resize-handle" class="sidebar-resize-handle"></div>
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</nav>
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<div id="page-wrapper" class="page-wrapper">
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<div class="page">
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<div id="menu-bar-hover-placeholder"></div>
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<div id="menu-bar" class="menu-bar sticky bordered">
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<div class="left-buttons">
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<button id="sidebar-toggle" class="icon-button" type="button" title="Toggle Table of Contents" aria-label="Toggle Table of Contents" aria-controls="sidebar">
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<i class="fa fa-bars"></i>
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</button>
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<button id="theme-toggle" class="icon-button" type="button" title="Change theme" aria-label="Change theme" aria-haspopup="true" aria-expanded="false" aria-controls="theme-list">
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<i class="fa fa-paint-brush"></i>
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</button>
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<ul id="theme-list" class="theme-popup" aria-label="Themes" role="menu">
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<li role="none"><button role="menuitem" class="theme" id="light">Light (default)</button></li>
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<li role="none"><button role="menuitem" class="theme" id="rust">Rust</button></li>
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<li role="none"><button role="menuitem" class="theme" id="coal">Coal</button></li>
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<li role="none"><button role="menuitem" class="theme" id="navy">Navy</button></li>
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<li role="none"><button role="menuitem" class="theme" id="ayu">Ayu</button></li>
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</ul>
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<button id="search-toggle" class="icon-button" type="button" title="Search. (Shortkey: s)" aria-label="Toggle Searchbar" aria-expanded="false" aria-keyshortcuts="S" aria-controls="searchbar">
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<i class="fa fa-search"></i>
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</button>
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</div>
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<h1 class="menu-title">简明 zCore 教程</h1>
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<div class="right-buttons">
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<a href="print.html" title="Print this book" aria-label="Print this book">
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<i id="print-button" class="fa fa-print"></i>
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</a>
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<a href="https://github.com/rcore-os/zCore-Tutorial" title="Git repository" aria-label="Git repository">
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<i id="git-repository-button" class="fa fa-github"></i>
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</a>
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</div>
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</div>
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<div id="search-wrapper" class="hidden">
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<form id="searchbar-outer" class="searchbar-outer">
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<input type="search" name="search" id="searchbar" name="searchbar" placeholder="Search this book ..." aria-controls="searchresults-outer" aria-describedby="searchresults-header">
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</form>
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<div id="searchresults-outer" class="searchresults-outer hidden">
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<div id="searchresults-header" class="searchresults-header"></div>
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<ul id="searchresults">
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</ul>
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</div>
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</div>
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<!-- Apply ARIA attributes after the sidebar and the sidebar toggle button are added to the DOM -->
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<script type="text/javascript">
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document.getElementById('sidebar-toggle').setAttribute('aria-expanded', sidebar === 'visible');
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document.getElementById('sidebar').setAttribute('aria-hidden', sidebar !== 'visible');
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Array.from(document.querySelectorAll('#sidebar a')).forEach(function(link) {
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link.setAttribute('tabIndex', sidebar === 'visible' ? 0 : -1);
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});
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</script>
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<div id="content" class="content">
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<main>
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<h1 id="初识内核对象"><a class="header" href="#初识内核对象">初识内核对象</a></h1>
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<h2 id="内核对象简介"><a class="header" href="#内核对象简介">内核对象简介</a></h2>
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<p>在动手编写我们的代码之前，需要首先进行调研和学习，对目标对象有一个全面系统的了解。
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而了解一个项目设计的最好方式就是阅读官方提供的手册和文档。</p>
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<p>让我们先来阅读一下 Fuchsia 官方文档：<a href="https://github.com/zhangpf/fuchsia-docs-zh-CN/blob/master/zircon/docs/objects.md">内核对象</a>。这个链接是社区翻译的中文版，已经有些年头了。如果读者能够科学上网，推荐直接阅读<a href="https://fuchsia.dev/fuchsia-src/reference/kernel_objects/objects">官方英文版</a>。</p>
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<p>通过阅读文档，我们了解到与内核对象相关的三个重要概念：<strong>对象（Object），句柄（Handle），权限（Rights）</strong>。它们在 Zircon 内核中的角色和关系如下图所示：</p>
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<p><img src="img/ch01-01-kernel-object.png" alt="" /></p>
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<p>简单来说：</p>
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<ul>
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<li>Zircon是一个基于对象的内核，内核资源被抽象封装在不同的 <strong>对象</strong> 中。</li>
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<li>用户程序通过 <strong>句柄</strong> 与内核交互。句柄是对某一对象的引用，并且附加了特定的 <strong>权限</strong>。</li>
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<li>对象通过 <strong>引用计数</strong> 管理生命周期。对于大多数对象，当指向它的最后一个句柄关闭时，对象随之销毁，或<a href="https://fuchsia.dev/fuchsia-src/concepts/kernel/concepts#handles_and_rights">进入无法挽回的最终状态</a>。</li>
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</ul>
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<p>此外在内核对象的文档中，还列举了一些<a href="https://github.com/zhangpf/fuchsia-docs-zh-CN/blob/master/zircon/docs/objects.md#%E5%BA%94%E7%94%A8%E7%A8%8B%E5%BA%8F%E5%8F%AF%E7%94%A8%E7%9A%84%E5%86%85%E6%A0%B8%E5%AF%B9%E8%B1%A1">常用对象</a>。点击链接进去就能查看到这个对象的<a href="https://github.com/zhangpf/fuchsia-docs-zh-CN/blob/master/zircon/docs/objects/channel.md">具体描述</a>，在页面最下方还列举了与这个对象相关的<a href="https://github.com/zhangpf/fuchsia-docs-zh-CN/blob/master/zircon/docs/objects/channel.md#%E7%B3%BB%E7%BB%9F%E8%B0%83%E7%94%A8">全部系统调用</a>。
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进一步查看系统调用的 <a href="https://github.com/zhangpf/fuchsia-docs-zh-CN/blob/master/zircon/docs/syscalls/channel_read.md#%E6%A6%82%E8%A6%81">API 定义</a>，以及它的<a href="https://github.com/zhangpf/fuchsia-docs-zh-CN/blob/master/zircon/docs/syscalls/channel_read.md#%E6%8F%8F%E8%BF%B0">行为描述</a>，我们就能更深入地了解用户程序操作内核对象的一些细节：</p>
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<ul>
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<li>
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<p>创建：每一种内核对象都存在一个系统调用来创建它，例如 <a href="https://github.com/zhangpf/fuchsia-docs-zh-CN/blob/master/zircon/docs/syscalls/channel_create.md"><code>zx_channel_create</code></a>。
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创建对象时一般需要传入一个参数选项 <code>options</code>，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。</p>
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</li>
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<li>
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<p>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 <a href="https://github.com/zhangpf/fuchsia-docs-zh-CN/blob/master/zircon/docs/syscalls/channel_write.md"><code>zx_channel_write</code></a>。
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这类系统调用一般需要传入句柄 <code>handle</code> 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。
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接下来内核会检查句柄的权限是否满足操作的要求，例如 <code>write</code> 操作一般要求句柄具有 <code>WRITE</code> 权限，如果权限不满足就会继续报错。</p>
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</li>
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<li>
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<p>关闭：当用户程序不再使用对象时，会调用 <a href="https://github.com/zhangpf/fuchsia-docs-zh-CN/blob/master/zircon/docs/syscalls/handle_close.md"><code>zx_handle_close</code></a> 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。</p>
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</li>
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</ul>
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<p>我们还发现，有一类 Object 系统调用是对所有内核对象都适用的。
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这表明所有内核对象都有一些公共属性，例如 ID、名称等等。每一种内核对象也会有自己特有的属性。</p>
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<p>其中一些 Object 系统调用和信号相关。Zircon 每个内核对象都附带有 32 个 <strong><a href="https://github.com/zhangpf/fuchsia-docs-zh-CN/blob/master/zircon/docs/signals.md">信号（Signals）</a></strong>，它们代表了不同类型的事件。
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与传统 Unix 系统的信号不同，它不能异步地打断用户程序运行，而只能由用户程序主动地阻塞等待在某个对象的某些信号上面。
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信号是 Zircon 内核中很重要的机制，不过这部分在前期不会涉及，我们留到第五章再具体实现。</p>
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<p>以上我们了解了 Zircon 内核对象的相关概念和使用方式。接下来在这一节中，我们将用 Rust 实现内核对象的基本框架，以方便后续快速实现各种具体类型的内核对象。
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从传统面向对象语言的视角看，我们只是在实现一个基类。但由于 Rust 语言模型的限制，这件事情需要用到一些特殊的技巧。</p>
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<h2 id="建立项目"><a class="header" href="#建立项目">建立项目</a></h2>
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<p>首先我们需要安装 Rust 工具链。在 Linux 或 macOS 系统下，只需要用一个命令下载安装 rustup 即可：</p>
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<pre><code class="language-sh">$ curl https://sh.rustup.rs -sSf | sh
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</code></pre>
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<p>具体安装方法可以参考<a href="https://kaisery.github.io/trpl-zh-cn/ch01-01-installation.html">官方文档</a>。</p>
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<p>接下来我们用 cargo 创建一个 Rust 库项目：</p>
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<pre><code class="language-sh">$ cargo new --lib zcore
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$ cd zcore
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</code></pre>
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<p>我们将在这个 crate 中实现所有的内核对象，以库（lib）而不是可执行文件（bin）的形式组织代码，后面我们会依赖单元测试保证代码的正确性。</p>
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<p>由于我们会用到一些不稳定（unstable）的语言特性，需要使用 nightly 版本的工具链。在项目根目录下创建一个 <code>rust-toolchain</code> 文件，指明使用的工具链版本：</p>
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<pre><code class="language-sh">{{#include ../../code/ch01-01/rust-toolchain}}
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</code></pre>
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<p>这个程序库目前是在你的 Linux 或 macOS 上运行，但有朝一日它会成为一个真正的 OS 在裸机上运行。
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为此我们需要移除对标准库的依赖，使其成为一个不依赖当前 OS 功能的库。在 <code>lib.rs</code> 的第一行添加声明：</p>
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<pre><code class="language-rust noplaypen">// src/lib.rs
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#![no_std]
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extern crate alloc;
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</code></pre>
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<p>现在我们可以尝试运行一下自带的单元测试，编译器可能会自动下载并安装工具链：</p>
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<pre><code class="language-sh">$ cargo test
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Finished test [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.52s
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Running target/debug/deps/zcore-dc6d43637bc5df7a
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running 1 test
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test tests::it_works ... ok
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test result: ok. 1 passed; 0 failed; 0 ignored; 0 measured; 0 filtered out
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|
</code></pre>
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<h2 id="实现-kernelobject-接口"><a class="header" href="#实现-kernelobject-接口">实现 KernelObject 接口</a></h2>
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<p>所有的内核对象有一系列共同的属性和方法，我们称这些方法为对象的公共<strong>接口（Interface）</strong>。
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同一种方法在不同类型的对象中可能会有不同的行为，在面向对象语言中我们称其为<strong>多态（Polymorphism）</strong>。</p>
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<p>Rust 是一门部分面向对象的语言，我们通常用它的 trait 实现接口和多态。</p>
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<p>首先创建一个 <code>KernelObject</code> trait 作为内核对象的公共接口：</p>
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<pre><code class="language-rust noplaypen">use alloc::string::String;
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// src/object/mod.rs
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/// 内核对象公共接口
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pub trait KernelObject: Send + Sync {
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/// 获取对象 ID
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fn id(&self) -> KoID;
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/// 获取对象类型名
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fn type_name(&self) -> &str;
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/// 获取对象名称
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fn name(&self) -> String;
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/// 设置对象名称
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fn set_name(&self, name: &str);
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}
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|
/// 对象 ID 类型
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pub type KoID = u64;
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</code></pre>
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<p>这里的 <a href="https://kaisery.github.io/trpl-zh-cn/ch16-04-extensible-concurrency-sync-and-send.html"><code>Send + Sync</code></a> 是一个约束所有 <code>KernelObject</code> 都要满足的前提条件，即它必须是一个<strong>并发对象</strong>。
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所谓并发对象指的是<strong>可以安全地被多线程共享访问</strong>。事实上我们的内核本身就是一个共享地址空间的多线程程序，在裸机上每个 CPU 核都可以被视为一个并发执行的线程。
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由于内核对象可能被多个线程同时访问，因此它必须是并发对象。</p>
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<h2 id="实现一个空对象"><a class="header" href="#实现一个空对象">实现一个空对象</a></h2>
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<p>接下来我们实现一个最简单的空对象 <code>DummyObject</code>，并为它实现 <code>KernelObject</code> 接口：</p>
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<pre><code class="language-rust noplaypen">// src/object/object.rs
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use spin::Mutex;
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|
/// 空对象
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|
#[derive(Debug)]
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pub struct DummyObject {
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|
id: KoID,
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|
|
inner: Mutex<DummyObjectInner>,
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}
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/// `DummyObject` 的内部可变部分
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#[derive(Default, Debug)]
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struct DummyObjectInner {
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name: String,
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}
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</code></pre>
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<p>这里我们采用一种<a href="https://kaisery.github.io/trpl-zh-cn/ch15-05-interior-mutability.html"><strong>内部可变性</strong></a>的设计模式：将对象的所有可变的部分封装到一个内部对象 <code>DummyObjectInner</code> 中，并在原对象中用自旋锁 <a href="https://docs.rs/spin/0.5.2/spin/struct.Mutex.html"><code>Mutex</code></a> 把它包起来，剩下的其它字段都是不可变的。
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<code>Mutex</code> 会用最简单的方式帮我们处理好并发访问问题：如果有其他人正在访问，我就在这里死等。
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数据被 <code>Mutex</code> 包起来之后需要首先使用 <a href="https://docs.rs/spin/0.5.2/spin/struct.Mutex.html#method.lock"><code>lock()</code></a> 拿到锁之后才能访问。此时并发访问已经安全，因此被包起来的结构自动具有了 <code>Send + Sync</code> 特性。</p>
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<p>使用自旋锁引入了新的依赖库 <a href="https://docs.rs/spin/0.5.2/spin/index.html"><code>spin</code></a> ，需要在 <code>Cargo.toml</code> 中加入以下声明：</p>
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<pre><code class="language-toml">[dependencies]
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spin = "0.7"
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</code></pre>
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<p>然后我们为新对象实现构造函数：</p>
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<pre><code class="language-rust noplaypen">// src/object/object.rs
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use alloc::sync::Arc;
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use core::sync::atomic::*;
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impl DummyObject {
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/// 创建一个新 `DummyObject`
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pub fn new() -> Arc<Self> {
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Arc::new(DummyObject {
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id: Self::new_koid(),
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inner: Default::default(),
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})
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}
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/// 生成一个唯一的 ID
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fn new_koid() -> KoID {
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static NEXT_KOID: AtomicU64 = AtomicU64::new(1024);
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NEXT_KOID.fetch_add(1, Ordering::SeqCst)
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}
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}
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</code></pre>
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<p>根据文档描述，每个内核对象都有唯一的 ID。为此我们需要实现一个全局的 ID 分配方法。这里采用的方法是用一个静态变量存放下一个待分配 ID 值，每次分配就原子地 +1。
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ID 类型使用 <code>u64</code>，保证了数值空间足够大，在有生之年都不用担心溢出问题。在 Zircon 中 ID 从 1024 开始分配，1024 以下保留作内核内部使用。</p>
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<p>另外注意这里 <code>new</code> 函数返回类型不是 <code>Self</code> 而是 <code>Arc<Self></code>，这是为了以后方便而做的统一约定。</p>
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<p>最后我们为它实现 <code>KernelObject</code> 接口：</p>
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<pre><code class="language-rust noplaypen">// src/object/object.rs
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impl KernelObject for DummyObject {
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fn id(&self) -> KoID {
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self.id
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}
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fn type_name(&self) -> &str {
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"DummyObject"
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}
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fn name(&self) -> String {
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self.inner.lock().name.clone()
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}
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fn set_name(&self, name: &str) {
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self.inner.lock().name = String::from(name);
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}
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}
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</code></pre>
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<p>到此为止，我们已经迈出了万里长征第一步，实现了一个最简单的功能。有实现，就要有测试！即使最简单的代码也要保证它的行为符合我们预期。
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只有对现有代码进行充分测试，在未来做添加和修改的时候，我们才有信心不会把事情搞砸。俗话讲"万丈高楼平地起"，把地基打好才能盖摩天大楼。</p>
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<p>为了证明上面代码的正确性，我们写一个简单的单元测试，替换掉自带的 <code>it_works</code> 函数：</p>
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<pre><code class="language-rust noplaypen">// src/object/object.rs
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#[cfg(test)]
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mod tests {
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use super::*;
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#[test]
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fn dummy_object() {
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let o1 = DummyObject::new();
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let o2 = DummyObject::new();
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assert_ne!(o1.id(), o2.id());
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assert_eq!(o1.type_name(), "DummyObject");
|
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|
assert_eq!(o1.name(), "");
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|
o1.set_name("object1");
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|
assert_eq!(o1.name(), "object1");
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|
}
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}
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|
|
</code></pre>
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|
<pre><code class="language-sh">$ cargo test
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|
Finished test [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.53s
|
|
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Running target/debug/deps/zcore-ae1be84852989b13
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running 1 test
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|
test tests::dummy_object ... ok
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</code></pre>
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<p>大功告成！让我们用 <code>cargo fmt</code> 命令格式化一下代码，然后记得 <code>git commit</code> 及时保存进展。</p>
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<h2 id="实现接口到具体类型的向下转换"><a class="header" href="#实现接口到具体类型的向下转换">实现接口到具体类型的向下转换</a></h2>
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<p>在系统调用中，用户进程会传入一个内核对象的句柄，然后内核会根据系统调用的类型，尝试将其转换成特定类型的对象。
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|
于是这里产生了一个很重要的需求：将接口 <code>Arc<dyn KernelObject></code> 转换成具体类型的结构 <code>Arc<T> where T: KernelObject</code>。
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这种操作在面向对象语言中称为<strong>向下转换（downcast）</strong>。</p>
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<p>在大部分编程语言中，向下转换都是一件非常轻松的事情。例如在 C/C++ 中，我们可以这样写：</p>
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<pre><code class="language-c++">struct KernelObject {...};
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struct DummyObject: KernelObject {...};
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KernelObject *base = ...;
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// C 风格：强制类型转换
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DummyObject *dummy = (DummyObject*)(base);
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// C++ 风格：动态类型转换
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DummyObject *dummy = dynamic_cast<DummyObject*>(base);
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</code></pre>
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<p>但在 Rust 中，由于其 trait 模型的限制，向下转换并不是一件容易的事情。
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虽然标准库中提供了 <a href="https://doc.rust-lang.org/std/any/"><code>Any</code></a> trait，部分实现了动态类型的功能，但实际操作起来却困难重重。
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|
不信邪的同学可以自己折腾一下：</p>
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<pre><pre class="playground"><code class="language-rust editable edition2018"><span class="boring">use std::any::Any;
|
|
|
</span><span class="boring">use std::sync::Arc;
|
|
|
</span><span class="boring">fn main() {}
|
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|
</span>
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trait KernelObject: Any + Send + Sync {}
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fn downcast_v1<T: KernelObject>(object: Arc<dyn KernelObject>) -> Arc<T> {
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|
object.downcast::<T>().unwrap()
|
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|
}
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fn downcast_v2<T: KernelObject>(object: Arc<dyn KernelObject>) -> Arc<T> {
|
|
|
let object: Arc<dyn Any + Send + Sync + 'static> = object;
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|
|
object.downcast::<T>().unwrap()
|
|
|
}
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</code></pre></pre>
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<p>当然这个问题也困扰了 Rust 社区中的很多人。目前已经有人提出了一套不错的解决方案，就是我们接下来要引入的 <a href="https://docs.rs/downcast-rs/1.2.0/downcast_rs/index.html"><code>downcast-rs</code></a> 库：</p>
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<pre><code class="language-toml">[dependencies]
|
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|
downcast-rs = { version = "1.2.0", default-features = false }
|
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|
</code></pre>
|
|
|
<p>（题外话：这个库原来是不支持 <code>no_std</code> 的，zCore 有这个需求，于是就顺便帮他实现了一把）</p>
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<p>按照它文档的描述，我们要为自己的接口实现向下转换，只需以下修改：</p>
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<pre><code class="language-rust noplaypen">// src/object/mod.rs
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use core::fmt::Debug;
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use downcast_rs::{impl_downcast, DowncastSync};
|
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pub trait KernelObject: DowncastSync + Debug {...}
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impl_downcast!(sync KernelObject);
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</code></pre>
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<p>其中 <code>DowncastSync</code> 代替了原来的 <code>Send + Sync</code>，<code>Debug</code> 用于出错时输出调试信息。
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<code>impl_downcast!</code> 宏用来帮我们自动生成转换函数，然后就可以用 <code>downcast_arc</code> 来对 <code>Arc</code> 做向下转换了。我们直接来测试一把：</p>
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<pre><code class="language-rust noplaypen">// src/object/object.rs
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#[test]
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fn downcast() {
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let dummy = DummyObject::new();
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let object: Arc<dyn KernelObject> = dummy;
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let _result: Arc<DummyObject> = object.downcast_arc::<DummyObject>().unwrap();
|
|
|
}
|
|
|
</code></pre>
|
|
|
<pre><code class="language-sh">$ cargo test
|
|
|
Finished test [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.47s
|
|
|
Running target/debug/deps/zcore-ae1be84852989b13
|
|
|
|
|
|
running 2 tests
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|
test object::downcast ... ok
|
|
|
test object::tests::dummy_object ... ok
|
|
|
</code></pre>
|
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|
<h2 id="模拟继承用宏自动生成接口实现代码"><a class="header" href="#模拟继承用宏自动生成接口实现代码">模拟继承：用宏自动生成接口实现代码</a></h2>
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|
<p>上面我们已经完整实现了一个内核对象，代码看起来很简洁。但当我们要实现更多对象的时候，就会发现一个问题：
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|
这些对象拥有一些公共属性，接口方法也有共同的实现。
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|
在传统 OOP 语言中，我们通常使用 <strong>继承（inheritance）</strong> 来复用这些公共代码：子类 B 可以继承父类 A，然后自动拥有父类的所有字段和方法。</p>
|
|
|
<p>继承是一个很强大的功能，但在长期实践中人们也逐渐发现了它的弊端。有兴趣的读者可以看一看知乎上的探讨：<a href="https://www.zhihu.com/question/20275578/answer/26577791"><em>面向对象编程的弊端是什么？</em></a>。
|
|
|
经典著作《设计模式》中就鼓励大家<strong>使用组合代替继承</strong>。而一些现代的编程语言，如 Go 和 Rust，甚至直接抛弃了继承。在 Rust 中，通常使用组合结构和 <a href="https://kaisery.github.io/trpl-zh-cn/ch15-02-deref.html"><code>Deref</code></a> trait 来部分模拟继承。</p>
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<blockquote>
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<p>继承野蛮，trait 文明。 —— 某 Rust 爱好者</p>
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|
</blockquote>
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<p>接下来我们模仿 <code>downcast-rs</code> 库的做法，使用一种基于宏的代码生成方案，来实现 <code>KernelObject</code> 的继承。
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|
当然这只是抛砖引玉，如果读者自己实现了，或者了解到社区中有更好的解决方案，也欢迎指出。</p>
|
|
|
<p>具体做法是这样的：</p>
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<ul>
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<li>使用一个 struct 来提供所有的公共属性和方法，作为所有子类的第一个成员。</li>
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|
<li>为子类实现 trait 接口，所有方法直接委托给内部 struct 完成。这部分使用宏来自动生成模板代码。</li>
|
|
|
</ul>
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|
<p>而所谓的内部 struct，其实就是我们上面实现的 <code>DummyObject</code>。为了更好地体现它的功能，我们给他改个名叫 <code>KObjectBase</code>：</p>
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<pre><code class="language-rust noplaypen">// src/object/mod.rs
|
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|
/// 内核对象核心结构
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pub struct KObjectBase {
|
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|
/// 对象 ID
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pub id: KoID,
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inner: Mutex<KObjectBaseInner>,
|
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}
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|
/// `KObjectBase` 的内部可变部分
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#[derive(Default)]
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struct KObjectBaseInner {
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name: String,
|
|
|
}
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|
</code></pre>
|
|
|
<p>接下来我们把它的构造函数改为实现 <code>Default</code> trait，并且公共属性和方法都指定为 <code>pub</code>：</p>
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<pre><code class="language-rust noplaypen">// src/object/mod.rs
|
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|
impl Default for KObjectBase {
|
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|
/// 创建一个新 `KObjectBase`
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|
|
fn default() -> Self {
|
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|
KObjectBase {
|
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|
id: Self::new_koid(),
|
|
|
inner: Default::default(),
|
|
|
}
|
|
|
}
|
|
|
}
|
|
|
impl KObjectBase {
|
|
|
/// 生成一个唯一的 ID
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|
|
fn new_koid() -> KoID {...}
|
|
|
/// 获取对象名称
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|
|
pub fn name(&self) -> String {...}
|
|
|
/// 设置对象名称
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|
pub fn set_name(&self, name: &str) {...}
|
|
|
}
|
|
|
</code></pre>
|
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|
<p>最后来写一个魔法的宏！</p>
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|
<pre><code class="language-rust noplaypen">// src/object/mod.rs
|
|
|
/// 为内核对象 struct 自动实现 `KernelObject` trait 的宏。
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|
#[macro_export] // 导出宏，可在 crate 外部使用
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|
|
macro_rules! impl_kobject {
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|
|
// 匹配类型名，并可以提供函数覆盖默认实现
|
|
|
($class:ident $( $fn:tt )*) => {
|
|
|
// 为对象实现 KernelObject trait，方法直接转发到内部 struct
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impl KernelObject for $class {
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|
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fn id(&self) -> KoID {
|
|
|
// 直接访问内部的 pub 属性
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|
self.base.id
|
|
|
}
|
|
|
fn type_name(&self) -> &str {
|
|
|
// 用 stringify! 宏将输入转成字符串
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|
|
stringify!($class)
|
|
|
}
|
|
|
// 注意宏里面的类型要写完整路径，例如：alloc::string::String
|
|
|
fn name(&self) -> alloc::string::String {
|
|
|
self.base.name()
|
|
|
}
|
|
|
fn set_name(&self, name: &str){
|
|
|
// 直接访问内部的 pub 方法
|
|
|
self.base.set_name(name)
|
|
|
}
|
|
|
// 可以传入任意数量的函数，覆盖 trait 的默认实现
|
|
|
$( $fn )*
|
|
|
}
|
|
|
// 为对象实现 Debug trait
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|
impl core::fmt::Debug for $class {
|
|
|
fn fmt(
|
|
|
&self,
|
|
|
f: &mut core::fmt::Formatter<'_>,
|
|
|
) -> core::result::Result<(), core::fmt::Error> {
|
|
|
// 输出对象类型、ID 和名称
|
|
|
f.debug_tuple(&stringify!($class))
|
|
|
.field(&self.id())
|
|
|
.field(&self.name())
|
|
|
.finish()
|
|
|
}
|
|
|
}
|
|
|
};
|
|
|
}
|
|
|
</code></pre>
|
|
|
<p>轮子已经造好了！让我们看看如何用它方便地实现一个内核对象，仍以 <code>DummyObject</code> 为例：</p>
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|
|
<pre><code class="language-rust noplaypen">// src/object/mod.rs
|
|
|
/// 空对象
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|
|
pub struct DummyObject {
|
|
|
// 其中必须包含一个名为 `base` 的 `KObjectBase`
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|
|
base: KObjectBase,
|
|
|
}
|
|
|
|
|
|
// 使用刚才的宏，声明其为内核对象，自动生成必要的代码
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|
|
impl_kobject!(DummyObject);
|
|
|
|
|
|
impl DummyObject {
|
|
|
/// 创建一个新 `DummyObject`
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|
|
pub fn new() -> Arc<Self> {
|
|
|
Arc::new(DummyObject {
|
|
|
base: KObjectBase::default(),
|
|
|
})
|
|
|
}
|
|
|
}
|
|
|
</code></pre>
|
|
|
<p>是不是方便了很多？最后按照惯例，用单元测试检验实现的正确性：</p>
|
|
|
<pre><code class="language-rust noplaypen">// src/object/mod.rs
|
|
|
#[test]
|
|
|
fn impl_kobject() {
|
|
|
use alloc::format;
|
|
|
let dummy = DummyObject::new();
|
|
|
let object: Arc<dyn KernelObject> = dummy;
|
|
|
assert_eq!(object.type_name(), "DummyObject");
|
|
|
assert_eq!(object.name(), "");
|
|
|
object.set_name("dummy");
|
|
|
assert_eq!(object.name(), "dummy");
|
|
|
assert_eq!(
|
|
|
format!("{:?}", object),
|
|
|
format!("DummyObject({}, \"dummy\")", object.id())
|
|
|
);
|
|
|
let _result: Arc<DummyObject> = object.downcast_arc::<DummyObject>().unwrap();
|
|
|
}
|
|
|
</code></pre>
|
|
|
<p>有兴趣的读者可以继续探索使用功能更强大的 <a href="https://doc.rust-lang.org/proc_macro/index.html"><strong>过程宏（proc_macro）</strong></a>，进一步简化实现新内核对象所需的模板代码。
|
|
|
如果能把上面的代码块缩小成下面这两行，就更加完美了：</p>
|
|
|
<pre><code class="language-rust noplaypen">#[KernelObject]
|
|
|
pub struct DummyObject;
|
|
|
</code></pre>
|
|
|
<h2 id="总结"><a class="header" href="#总结">总结</a></h2>
|
|
|
<p>在这一节中我们用 Rust 语言实现了 Zircon 最核心的<strong>内核对象</strong>概念。在此过程中涉及到 Rust 的一系列语言特性和设计模式：</p>
|
|
|
<ul>
|
|
|
<li>使用 <strong>trait</strong> 实现接口</li>
|
|
|
<li>使用 <strong>内部可变性</strong> 模式实现并发对象</li>
|
|
|
<li>基于社区解决方案实现 trait 到 struct 的 <strong>向下转换</strong></li>
|
|
|
<li>使用组合模拟继承，并使用 <strong>宏</strong> 实现模板代码的自动生成</li>
|
|
|
</ul>
|
|
|
<p>由于 Rust 独特的<a href="https://kaisery.github.io/trpl-zh-cn/ch17-00-oop.html">面向对象编程特性</a>，我们在实现内核对象的过程中遇到了一定的挑战。
|
|
|
不过万事开头难，解决这些问题为整个项目打下了坚实基础，后面实现新的内核对象就会变得简单很多。</p>
|
|
|
<p>在下一节中，我们将介绍内核对象相关的另外两个概念：句柄和权限，并实现内核对象的存储和访问。</p>
|
|
|
|
|
|
</main>
|
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|
|
|
<nav class="nav-wrapper" aria-label="Page navigation">
|
|
|
<!-- Mobile navigation buttons -->
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|
|
<a rel="prev" href="ch01-00-object.html" class="mobile-nav-chapters previous" title="Previous chapter" aria-label="Previous chapter" aria-keyshortcuts="Left">
|
|
|
<i class="fa fa-angle-left"></i>
|
|
|
</a>
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|
|
|
|
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|
|
|
|
|
<a rel="next" href="ch01-02-process-object.html" class="mobile-nav-chapters next" title="Next chapter" aria-label="Next chapter" aria-keyshortcuts="Right">
|
|
|
<i class="fa fa-angle-right"></i>
|
|
|
</a>
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<div style="clear: both"></div>
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</nav>
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|
</div>
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|
</div>
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|
|
|
<nav class="nav-wide-wrapper" aria-label="Page navigation">
|
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|
|
|
|
<a rel="prev" href="ch01-00-object.html" class="nav-chapters previous" title="Previous chapter" aria-label="Previous chapter" aria-keyshortcuts="Left">
|
|
|
<i class="fa fa-angle-left"></i>
|
|
|
</a>
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|
<a rel="next" href="ch01-02-process-object.html" class="nav-chapters next" title="Next chapter" aria-label="Next chapter" aria-keyshortcuts="Right">
|
|
|
<i class="fa fa-angle-right"></i>
|
|
|
</a>
|
|
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|
</nav>
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</div>
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<script type="text/javascript">
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|
window.playground_copyable = true;
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|
</script>
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|
|
|
<script src="ace.js" type="text/javascript" charset="utf-8"></script>
|
|
|
<script src="editor.js" type="text/javascript" charset="utf-8"></script>
|
|
|
<script src="mode-rust.js" type="text/javascript" charset="utf-8"></script>
|
|
|
<script src="theme-dawn.js" type="text/javascript" charset="utf-8"></script>
|
|
|
<script src="theme-tomorrow_night.js" type="text/javascript" charset="utf-8"></script>
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
<script src="elasticlunr.min.js" type="text/javascript" charset="utf-8"></script>
|
|
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<script src="mark.min.js" type="text/javascript" charset="utf-8"></script>
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<script src="searcher.js" type="text/javascript" charset="utf-8"></script>
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<script src="clipboard.min.js" type="text/javascript" charset="utf-8"></script>
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<!-- Custom JS scripts -->
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</body>
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</html>
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