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# 方案设计文档——RustOS
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2018.04.12
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王润基 朱书聪
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## 选题概述
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Rust是一门新兴的系统级编程语言。它引入了全新的内存管理模型，在无GC的环境下解决了C/C++中长期存在的内存安全问题。同时，它也支持不安全的底层操作，能和C语言方便交互。另一方面，它提供高级别的零开销抽象，拥有现代语言特性，能够胜任编写复杂逻辑。这些特性使得Rust非常适合编写OS。
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因此我们的基础目标是和其它小组合作，将ucore用Rust重写，使之更加安全和模块化。
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为了充分发挥Rust的语言特性，我们还希望OS支持对称多处理器（SMP）。众所周知，并发编程会带来数据竞争问题，给安全和效率造成很大挑战。而Rust的内存模型能够保证线程安全，适合解决这一问题。
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所以我们进一步的目标是使用Commuter对OS的并行度进行测试，然后参考sv6进行SMP优化。
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## 已经完成的调研工作
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### Rust for RISCV
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* RISCV-Rust-Toolchain：
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* Docker：tarcieri/riscv-rust-toolchain
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* 与之配合的开发环境：riscv-crates
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* 目前无法编译，还在开发中
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鉴于这套工具链刚刚诞生，非常不稳定，坑太多，因此我们不再考虑移植到RISCV。
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### RustOS
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* 《Writing an OS in Rust》& blog_os：
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* 从零开始写RustOS的教程，平台x86_64
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* 目前实现了Boot，页式内存管理，中断管理
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* 已经读完了全部文章，能够在本机和Docker中编译运行
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* Redox：
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* 完成度最高的RustOS，微内核架构，平台x86_64
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* 有GUI，有自己的FS，有用户程序开发环境
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* 正在阅读kernel代码，已经在Docker中完成编译
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### 待移植/参考OS
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* xv6：ucore的起源项目，非常精简，但支持SMP。用来理解OS的整体运行机制。
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* xv6 x86_64：对比与xv6的不同，参考其x86_64的实现。
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* ucore_os_lab：待移植的主体。
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* ucore_plus：参考其x86_64的实现。
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* sv6：参考其多核优化的实现。
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### Rust与编写OS相关的平台特性
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* 库：
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* Rust提供标准库std和核心库core，core包含于std
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* 写OS不能使用std，可以使用core，需用xargo代替cargo编译
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* core提供了最基础的语言特性支持，字符串格式化输出等基础函数，只需指定全局内存分配器，即可享用Vec/Box等大量内置数据结构
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* 内联汇编：
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* 格式类似C语言
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* x86(_64)已经有封装好的库，无需手动编写
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* Rust-C互操作：
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* C语言绑定：
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* bindgen工具：自动生成C模块的Rust接口
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* 默认依赖std库，但似乎可以手动替换类型去掉依赖
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* 已经尝试完成了对xv6的绑定
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* 直接导入符号
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* 写一个`build.rs`在build时同时编译C代码并链接
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* 已经写了一个样例集成到项目中了
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* C对Rust的绑定：
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* 通过简单的`extern "C"`+`no_mangle`即可完成
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* C直接生成Rust：Corrode
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* 在macOS上尝试构建失败
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* Port C to Rust 经验谈：
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* https://github.com/carols10cents/rust-out-your-c-talk
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* 测试：
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* 对于使用std的项目，可以快速通过`cargo test`进行单元测试，`cargo bench`进行性能测试
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* 由于OS运行在qemu环境中，因此无法使用这个测试框架
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* 但可以运行集成测试（类似ucore），目前已经在Travis上配置完毕
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* 另一方面，可以把不依赖OS环境的模块提取成crate，就可以测试了
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* 例如Redox kernel就把stub_allocator和syscall模块提取出来
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* 坑：
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* 除了经常过不了编译以外，还没遇到大坑。Rust大法好。
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## 已经完成的编码工作
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* 准备开发环境
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根据对RustOS的调研情况，我们计划直接在blog_os的基础上进行开发。目前已经配置好了本地环境，Docker，Travis。
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* 熟悉Rust语言和生态特性
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实现了C语言绑定，在线集成测试。
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已经完成了一些OS底层驱动的移植（VGA，Serial，ACPI）。
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## 接下来需要做的工作
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### 综述
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blog_os只实现了页式内存管理和中断，提供了一个RustOS的基础框架。在此基础上，针对ucore的每个lab，还需补全以下内容：
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* **lab1：**
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* 修改虚拟地址的映射，使之与ucore匹配。
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* 补全底层驱动（键盘、串口、APIC），重点是能产生时钟中断。
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* 这部分大都是直接操作内存，可以直接链接C代码，以尽快跑起来，之后再用Rust重写。
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* lab2/3：内存管理
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* 物理内存分配器目前只分配不回收，需要完善
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* 页式内存管理没有实现替换机制，需要实现
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*注：由于只是要完善，不影响后面的工作*
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* **lab4/5/6：进程管理**
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* 进程管理和调度需要重新设计、整体移植
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* lab7：同步互斥
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* 基本的同步机制Rust标准库已经提供
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* **lab8：文件系统**
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* 对底层依赖不大，可以独立出去完成（参考Redox的FS）
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支持SMP主要依赖进程管理模块，文件系统部分委托合作小组完成。
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### 分工
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* 王润基：主要负责前期ucore移植
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* 朱书聪：主要负责后期SMP优化
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### 计划
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* Week7：完成底层硬件的移植，能跑lab1
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* Week8：完善物理/虚拟内存管理，能跑lab2/3
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* Week9：移植内核线程、用户进程、调度，能跑lab4/5/6
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* Week10：支持SMP，配置Commuter生成代码
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* Week11：SMP优化
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* Week12：SMP优化
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* Week13：SMP优化
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