Add report for 'Linking Rust SFS to uCore'

docs/rust_port_report.md

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 * 接入ucore中能够跑起来
 * 实现mksfs等周边工具
 * 多线程支持及并行优化
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+## 与ucore_os_lab8 对接报告
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+王润基 2018.05.07
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+搞定这事儿耗费了大约15小时的时间
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+### 实现的功能
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+通过C兼容层将Rust VFS接口和ucore VFS层对接起来。
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+经测试，在shell中能够正常执行各个程序，`ls`输出正确。
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+在实现上：清理掉ucore_os_lab8的sfs文件夹，只留下`sfs.h`（未修改）和`sfs.c`（添加少许辅助函数）。再将Rust SFS编译成静态库，链接到kernel中。
+
+### 如何运行
+
+整合之后的ucore可以从[这里](https://github.com/wangrunji0408/ucore_os_lab/tree/rust-fs/labcodes_answer/lab8_result)获得。
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+```bash
+# 下载项目
+git clone https://github.com/wangrunji0408/ucore_os_lab.git -b rust-fs --recursive 
+# 切到lab8目录
+cd ucore_os_lab/labcodes_answer/lab8_result/
+# 如果没有安装Rust，用以下命令，但愿能work
+make -f rust_sfs/Makefile install-rust
+# 编译运行
+make qemu
+```
+
+### 如何调试
+
+我使用CLion + Rust插件编写代码。
+
+调试时，首先用`make dbg4ec`开启QEMU，再用CLion中自带的`GDB Remote Debug`连接上去，即可GUI调试。此外还需在ucore的makefile中添加编译参数`-g`，才能在CLion中定位C的源代码。
+
+### 遇到的问题
+
+- 链接丢失：
+
+  ucore_os_lab的linker script少写了一些section，包括`*.data.*` `*.got.*` `*.bss.*`，导致Rust lib链接过去后丢失了一些段，比较坑的是这不会有任何提示。没有成功重定位的地址都是0，运行时直接Page fault。为了找出出错位置，各种gdb，objdump全上了，还得看汇编追踪寄存器，真是大坑。
+
+- 引用LLVM内置函数：
+
+  Rust lib会引用一些LLVM内置函数（如udivdi3，都是除法运算相关），链接时会报undefined symbol。但实际上并没有代码用到它们。《Writing an OS in Rust》中提到了这个问题，它的解决方案是链接时加`--gc-sections`选项，将未用到的段删掉，结果我对ucore如此操作之后所有段都没了，都boot不起来。。。最后是在C中强行定义这些符号解决的。
+
+- 对ucore VFS接口理解的歧义：
+
+  例如：`getdirentry`，`gettype`
+
+  经常需要查看ucore SFS的原始实现，以及输出它传给我的结构内容，才能理解它到底是如何工作的。
+
+### C兼容层的设计
+
+#### ucore VFS分析
+
+```c
+// [1] SFS模块的入口点。从这里获得fs。
+int sfs_do_mount(struct device *dev, struct fs **fs_store);
+
+struct fs {
+    // 头部是具体文件系统的内容
+    union {
+        struct sfs_fs __sfs_info;                   
+    } fs_info;
+    
+    // 元信息
+    enum {
+        fs_type_sfs_info,
+    } fs_type;
+    
+    // 虚函数表
+    int (*fs_sync)(struct fs *fs);
+      // [2] 从这里获得inode
+    struct inode *(*fs_get_root)(struct fs *fs);
+    int (*fs_unmount)(struct fs *fs);
+    void (*fs_cleanup)(struct fs *fs);
+};
+
+struct inode {
+    // 头部是具体文件系统的内容
+    union {
+        struct device __device_info;
+        struct sfs_inode __sfs_inode_info;
+    } in_info;
+    
+    // 元信息，引用计数
+    enum {
+        inode_type_device_info = 0x1234,
+        inode_type_sfs_inode_info,
+    } in_type;
+    int ref_count;
+    int open_count;
+    
+    // 引用fs
+    struct fs *in_fs;
+    
+    // 虚函数表
+      // [3] 通过其中的lookup()/create()获得其他inode
+    const struct inode_ops *in_ops;
+};
+```
+
+#### Rust VFS分析
+
+```rust
+type INodePtr = Rc<RefCell<INode>>;
+
+pub trait FileSystem {
+    // [1] 从这里获得FS
+    fn new(device: Box<Device>) -> Result<FileSystem>;
+    // [2] 从这里获得INode
+    fn root_inode(&self) -> INodePtr;
+    // 其他函数...
+}
+
+pub trait INode {
+    // 引用fs
+    fn fs(&self) -> Weak<FileSystem>;
+    // [3] 获得其他INode
+    fn lookup(&self, path: &'static str) -> Result<INodePtr>;
+    // 其他函数...
+}
+```
+
+#### 如何合并
+
+ucore VFS中fs和inode头部是具体FS的struct。Rust VFS使用Rc指针相互引用。为了将它们合并起来，考虑过两种方案：
+
+* **在头部放Rc指针**
+  * Rust VFS = ucore SFS
+  * 还需建立Rust INode => ucore INode的反向引用
+    * 要么侵入式地增加Rust INode的字段
+    * 要么**在兼容层搞一个全局Map**
+  * 这种方式耦合较低，但多一层指针跳转，性能可能略差。
+* 在头部放Rust SFS的结构本体
+  * Rust VFS = ucore VFS
+  * 需要在Rust new出SFS结构时做文章， 委托ucore分配多一点空间并做VFS的初始化，得魔改Rust的全局内存分配器。
+  * 这种方式耦合较高，需对Rust结构的实际内存布局有深入理解。
+
+最终采取的方案加粗表示。
+
+在这个框架下，将ucore虚函数表中的每一个都用RustVFS提供的接口去实现，并处理参数格式转化。以比较复杂的`lookup`为例：
+
+```rust
+// 这个函数的地址保存在虚表中，传给ucore
+extern fn lookup(inode: &mut INode, path: *mut u8, inode_store: &mut *mut INode) -> ErrorCode {
+    // 【参数处理】将C字符串转为Rust字符串
+    let path = unsafe{ libc::from_cstr(path) };
+    // 【完成功能】调用 Rust VFS 的函数
+    let target = inode.borrow().lookup(path);
+    // 【结果处理】
+    match target {
+        Ok(target) => {
+            // 从ucore inode中获取ucore fs
+            let fs = unsafe{ ucore::inode_get_fs(inode) };
+            // 使用全局Map，将Rust INode映射为ucore inode，如果不存在则新建一个(要用到ucore fs)
+            let inode = INode::get_or_create(target, fs);
+            // 按ucore接口要求，增加引用计数
+            unsafe { ucore::inode_ref_inc(inode) };
+            // 给出ucore inode
+            *inode_store = inode;
+            ErrorCode::Ok
+        },
+        // 设置正确的错误码
+        Err(_) => ErrorCode::NoEntry,
+    }
+}
+```
+
+经过统计，`C兼容层`的有效代码量约500行，和实现核心功能的`Rust SFS层`相当。说明这种胶水代码真是又臭又长，搞兼容性都是脏活累活。
+
+### 那么……意义何在？
+
+* 将FS模块接入实际OS，验证其可行性和可靠性（尤其是在RustOS还遥遥无期的背景下……）
+* 检验了Rust和C的互操作性，证明Rust编写系统模块是可行的。
+* （试图）为ucore提供一套更好更实用的文件系统接口（个人认为Rust接口更容易去实现），方便日后将其他FS接入（如CS140e.FAT32）
+* （也许）能为OS教学提供另一种可能性
+* 锻炼了我的跨语言+汇编级别debug能力，让我对ucore FS有更深入的了解