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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>简明 zCore 教程</title>
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<meta name="robots" content="noindex" />
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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"><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-hal-async.html"><strong aria-hidden="true">2.2.</strong> 硬件抽象层与异步运行时</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><li class="chapter-item expanded "><a href="ch02-04-process-job-object.html"><strong aria-hidden="true">2.4.</strong> 进程管理：Process 与 Job 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-vmar.html"><strong aria-hidden="true">3.3.</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-load-elf.html"><strong aria-hidden="true">4.2.</strong> 加载 ELF 文件</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="ch04-03-context-switch.html"><strong aria-hidden="true">4.3.</strong> 上下文切换</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="ch04-04-syscall.html"><strong aria-hidden="true">4.4.</strong> 系统调用</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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</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><a class="header" href="#简明-zcore-教程" id="简明-zcore-教程">简明 zCore 教程</a></h1>
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<h2><a class="header" href="#自己动手山寨操作系统自顶向下方法" id="自己动手山寨操作系统自顶向下方法">自己动手山寨操作系统：自顶向下方法</a></h2>
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<p>zCore 是用 Rust 语言重写的 Zircon 微内核，它是 Google 正在开发的 Fuchsia OS 中的底层内核。</p>
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<p>本教程基于 zCore 的真实开发历史，还原其开发过程。带领读者一步一步用 Rust 实现自己的 Zircon 内核，最终能够运行原生的 shell 程序。
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在此过程中我们将体会 Zircon 微内核的设计理念，感受如何用 Rust 语言以一种现代的方式编写系统软件，在项目中实现理论与实践的融合。</p>
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<p>与传统操作系统开发不同的是，zCore 使用一种自顶向下的方法：首先基于宿主系统已有的功能，在用户态实现一个能够工作的 libOS，然后再逐步替换底层实现，
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"移植"回裸机环境中运行。因此我们更关注系统的整体设计，从高层视角看待 OS 如何为用户提供服务，而不纠结于底层硬件细节。</p>
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<p>鉴于此，本教程假设读者了解操作系统基本概念和原理，具有常用的 Linux 系统使用经验，并且会使用 Rust 语言编写简单程序。
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如果读者不熟悉操作系统和 Rust 语言，希望以自底向上方法从零构建操作系统，<a href="https://rcore-os.github.io/rCore-Tutorial-deploy/">rCore Tutorial</a> 可能是更好的选择。</p>
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<p>如果你准备好了，让我们开始吧！</p>
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<h1><a class="header" href="#zcore-整体结构和设计模式" id="zcore-整体结构和设计模式">zCore 整体结构和设计模式</a></h1>
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<h1><a class="header" href="#fuchsia-os-和-zircon-微内核" id="fuchsia-os-和-zircon-微内核">Fuchsia OS 和 Zircon 微内核</a></h1>
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<h1><a class="header" href="#内核对象" id="内核对象">内核对象</a></h1>
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<p>Zircon 是一个基于内核对象的系统。系统的功能被划分到若干组内核对象中。</p>
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<p>作为一切的开始，本章首先构造了一个内核对象框架，作为后面实现的基础。
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然后我们实现第一个内核对象 —— <code>Process</code>，它是所有对象的容器，也是将来我们操作对象的入口点。
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最后会实现一个稍微复杂但是极其重要的对象 <code>Channel</code>，它是进程间通信（<em>IPC</em>）的基础设施，也是传送对象的唯一管道。</p>
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<h1><a class="header" href="#初识内核对象" id="初识内核对象">初识内核对象</a></h1>
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<h2><a class="header" href="#内核对象简介" id="内核对象简介">内核对象简介</a></h2>
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<p>TODO</p>
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<p>详细内容可参考 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>。</p>
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<p>在这一节中我们将在 Rust 中实现内核对象的概念。</p>
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<h2><a class="header" href="#建立项目" id="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">nightly-2020-06-04
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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">#![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><a class="header" href="#实现-kernelobject-接口" id="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><pre class="playground"><code class="language-rust">
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|
<span class="boring">#![allow(unused)]
|
|
|
</span><span class="boring">fn main() {
|
|
|
</span>/// 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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|
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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;
|
|
|
/// 获取对象名称
|
|
|
fn name(&self) -> String;
|
|
|
/// 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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|
<span class="boring">}
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|
</span></code></pre></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><a class="header" href="#实现一个空对象" id="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">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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}
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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 = "0.5"
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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">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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/// 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);
|
|
|
NEXT_KOID.fetch_add(1, Ordering::SeqCst)
|
|
|
}
|
|
|
}
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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">impl KernelObject for DummyObject {
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|
fn id(&self) -> KoID {
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|
|
self.id
|
|
|
}
|
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|
fn type_name(&self) -> &str {
|
|
|
"DummyObject"
|
|
|
}
|
|
|
fn name(&self) -> String {
|
|
|
self.inner.lock().name.clone()
|
|
|
}
|
|
|
fn set_name(&self, name: &str) {
|
|
|
self.inner.lock().name = String::from(name);
|
|
|
}
|
|
|
}
|
|
|
</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">#[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><a class="header" href="#实现接口到具体类型的向下转换" id="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">
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<span class="boring">#![allow(unused)]
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</span><span class="boring">fn main() {
|
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</span><span class="boring">use std::any::Any;
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</span><span class="boring">use std::sync::Arc;
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</span>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> {
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let object: Arc<dyn Any + Send + Sync + 'static> = object;
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object.downcast::<T>().unwrap()
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}
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<span class="boring">}
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</span></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>
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<p>（题外话：这个库原来是不支持 no_std 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">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">#[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();
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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 0.47s
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Running target/debug/deps/zcore-ae1be84852989b13
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running 2 tests
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test object::downcast ... ok
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test object::tests::dummy_object ... ok
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</code></pre>
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<h2><a class="header" href="#模拟继承用宏自动生成接口实现代码" id="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>
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<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>。
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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>
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<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>
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</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">/// 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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}
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</code></pre>
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<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">impl Default for KObjectBase {
|
|
|
/// 创建一个新 `KObjectBase`
|
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fn default() -> Self {
|
|
|
KObjectBase {
|
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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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|
}
|
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impl KObjectBase {
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|
/// 生成一个唯一的 ID
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fn new_koid() -> KoID {...}
|
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|
/// 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">/// 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 {
|
|
|
// 匹配类型名，并可以提供函数覆盖默认实现
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|
|
($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 $class {
|
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|
fn id(&self) -> KoID {
|
|
|
// 直接访问内部的 pub 属性
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|
self.base.id
|
|
|
}
|
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|
fn type_name(&self) -> &str {
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|
|
// 用 stringify! 宏将输入转成字符串
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|
|
stringify!($class)
|
|
|
}
|
|
|
// 注意宏里面的类型要写完整路径，例如：alloc::string::String
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|
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 $class {
|
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|
fn fmt(
|
|
|
&self,
|
|
|
f: &mut core::fmt::Formatter<'_>,
|
|
|
) -> core::result::Result<(), core::fmt::Error> {
|
|
|
// 输出对象类型、ID 和名称
|
|
|
f.debug_tuple(&stringify!($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">/// 空对象
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|
pub struct DummyObject {
|
|
|
// 其中必须包含一个名为 `base` 的 `KObjectBase`
|
|
|
base: KObjectBase,
|
|
|
}
|
|
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|
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|
// 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);
|
|
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|
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|
impl DummyObject {
|
|
|
/// 创建一个新 `DummyObject`
|
|
|
pub fn new() -> Arc<Self> {
|
|
|
Arc::new(DummyObject {
|
|
|
base: KObjectBase::default(),
|
|
|
})
|
|
|
}
|
|
|
}
|
|
|
</code></pre>
|
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<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>
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|
<pre><code class="language-rust noplaypen">#[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>
|
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|
<p>有兴趣的读者可以继续探索使用功能更强大的 <strong>过程宏（proc_macro）</strong>，进一步简化实现新内核对象所需的模板代码。
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|
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>
|
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|
<pre><code class="language-rust noplaypen">#[KernelObject]
|
|
|
pub struct DummyObject;
|
|
|
</code></pre>
|
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|
<h2><a class="header" href="#总结" id="总结">总结</a></h2>
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<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>
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|
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<ul>
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|
<li>使用 <strong>trait</strong> 实现接口</li>
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|
<li>使用 <strong>内部可变性</strong> 模式实现并发对象</li>
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|
|
<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>
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|
|
<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>
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|
|
<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>
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|
|
<h1><a class="header" href="#对象管理器process-对象" id="对象管理器process-对象">对象管理器：Process 对象</a></h1>
|
|
|
<h2><a class="header" href="#句柄和权限" id="句柄和权限">句柄和权限</a></h2>
|
|
|
<h2><a class="header" href="#实现第一个内核对象" id="实现第一个内核对象">实现第一个内核对象</a></h2>
|
|
|
<h2><a class="header" href="#存储内核对象句柄" id="存储内核对象句柄">存储内核对象句柄</a></h2>
|
|
|
<h2><a class="header" href="#根据句柄查找内核对象" id="根据句柄查找内核对象">根据句柄查找内核对象</a></h2>
|
|
|
<h1><a class="header" href="#对象传送器channel-对象" id="对象传送器channel-对象">对象传送器：Channel 对象</a></h1>
|
|
|
<h2><a class="header" href="#创建一对内核对象" id="创建一对内核对象">创建一对内核对象</a></h2>
|
|
|
<h2><a class="header" href="#实现数据传输" id="实现数据传输">实现数据传输</a></h2>
|
|
|
<h1><a class="header" href="#任务管理" id="任务管理">任务管理</a></h1>
|
|
|
<h1><a class="header" href="#zircon-任务管理体系" id="zircon-任务管理体系">Zircon 任务管理体系</a></h1>
|
|
|
<h1><a class="header" href="#硬件抽象层与异步运行时" id="硬件抽象层与异步运行时">硬件抽象层与异步运行时</a></h1>
|
|
|
<h1><a class="header" href="#线程管理thread-对象" id="线程管理thread-对象">线程管理：Thread 对象</a></h1>
|
|
|
<h1><a class="header" href="#进程管理process-与-job-对象" id="进程管理process-与-job-对象">进程管理：Process 与 Job 对象</a></h1>
|
|
|
<h1><a class="header" href="#内存管理" id="内存管理">内存管理</a></h1>
|
|
|
<h1><a class="header" href="#zircon-内存管理模型" id="zircon-内存管理模型">Zircon 内存管理模型</a></h1>
|
|
|
<h1><a class="header" href="#物理内存vmo-对象" id="物理内存vmo-对象">物理内存：VMO 对象</a></h1>
|
|
|
<h1><a class="header" href="#虚拟内存vmar-对象" id="虚拟内存vmar-对象">虚拟内存：VMAR 对象</a></h1>
|
|
|
<h1><a class="header" href="#用户程序" id="用户程序">用户程序</a></h1>
|
|
|
<h1><a class="header" href="#zircon-用户程序" id="zircon-用户程序">Zircon 用户程序</a></h1>
|
|
|
<h1><a class="header" href="#加载-elf-文件" id="加载-elf-文件">加载 ELF 文件</a></h1>
|
|
|
<h1><a class="header" href="#上下文切换" id="上下文切换">上下文切换</a></h1>
|
|
|
<h1><a class="header" href="#系统调用" id="系统调用">系统调用</a></h1>
|
|
|
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|
|
</main>
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|
<nav class="nav-wrapper" aria-label="Page navigation">
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|
<!-- Mobile navigation buttons -->
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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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|
</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="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>
|
|
|
<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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|
<script src="highlight.js" type="text/javascript" charset="utf-8"></script>
|
|
|
<script src="book.js" type="text/javascript" charset="utf-8"></script>
|
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|
|
<!-- Custom JS scripts -->
|
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|
<script type="text/javascript">
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|
window.addEventListener('load', function() {
|
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|
window.setTimeout(window.print, 100);
|
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|
});
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|
|
</script>
|
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</body>
|
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|
</html>
|
