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Merge pull request #510 from caozhanhao/master
2024 秋冬季开源操作系统训练营第一二阶段总结-曹展豪
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| Original file line number | Diff line number | Diff line change |
|---|---|---|
| @@ -0,0 +1,158 @@ | ||
| --- | ||
| title: 2024 秋冬季开源操作系统训练营第一二阶段总结-曹展豪 | ||
| date: 2024-11-07 21:51:53 | ||
| tags: | ||
| - author: caozhanhao | ||
| - repo: https://github.com/LearningOS/2024a-rcore-caozhanhao | ||
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| # 前言 | ||
| 刚开学就被学长推荐做rCore, 一开始是参加了校内工作室举办的[光点计划Ⅱ](https://uestc-os-camp.clovy.top/#/)，做到后面还剩下些时间就来参加了这个训练营，确实学到了很多东西，感觉这几个月是技术提升最快的一段时间。 | ||
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| <!-- more --> | ||
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| 详细的博客在[这里](https://mkfs.tech/index.php/archives/30/)。 | ||
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| # 🦀 第一阶段 - Rust | ||
| 由于我之前有一点 C++ 基础，这一阶段的入门没有那么困难。Rust 中相当多的概念是与 C++ 互通的，如 RAII， move等等。在这一阶段了解到了 Rust 很多优秀的方面，比如： | ||
| - borrow checker （带来了更好的安全性，但是也提升了学习曲线） | ||
| - macro (过程宏很强大) | ||
| - cargo （太方便了，包管理比 C++ 完善多了） | ||
| - rustdoc (标准化了第三方库的文档管理，不管是写文档还是看文档都舒服了很多) | ||
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| ## 相关资料 | ||
| 学习中确实遇到了很多困惑，以下是一些资料的整理 | ||
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| ### All | ||
| - [Rust语言圣经(Rust Course)](https://course.rs/) | ||
| - [CPP工程师的Rust迁移之路](https://www.zhihu.com/column/c_1139487758685900800) | ||
| - [A half-hour to learn Rust](https://fasterthanli.me/articles/a-half-hour-to-learn-rust) | ||
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| ### Move | ||
| Rust 的 `Move by default` 有点像带GC的语言，与 C++ 有较大区别。 | ||
| - [一文串连 Rust 基本概念：ownership/move/borrowing/references/lifetime/consume](https://zhuanlan.zhihu.com/p/659223133) | ||
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| 这几篇虽然主要是讲 C++ 的，但是其语义与 Rust 的 Move 很类似，文章中也有与 Rust 的对比 | ||
| - [什么是move？理解C++ Value categories，move， move in Rust](https://zhuanlan.zhihu.com/p/374392832) | ||
| - [C++ 中的 relocate 语义](https://zhuanlan.zhihu.com/p/679782886) | ||
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| ### Slice | ||
| - [Rust 语法辨析：切片和字符串](https://www.ninephoenix.dev/tech/rust-slice/) | ||
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| ### Fn/FnMut/FnOnce Trait | ||
| Rust 的闭包涉及到了一些所有权的转移问题，所以有一些特别的 Trait 需要注意，初学时有些迷糊。 | ||
| - [Closures: Anonymous Functions that Capture Their Environment](https://doc.rust-lang.org/book/ch13-01-closures.html?highlight=FnMut#moving-captured-values-out-of-closures-and-the-fn-traits) | ||
| - [三种 Fn 特征](https://course.rs/advance/functional-programing/closure.html#%E4%B8%89%E7%A7%8D-fn-%E7%89%B9%E5%BE%81) | ||
| - [Rust 中的闭包：function-like types and their traits](https://zhuanlan.zhihu.com/p/471241372) | ||
| - [绕弯大王Rust里的Fn/FnMut/FnOnce](https://zhuanlan.zhihu.com/p/686873269) | ||
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| ### Misc | ||
| 这几篇涉及一些对个别 Rust 语法的分析，其中最后一篇是我写的 | ||
| - [Rust 中的 Magic function params](https://dogdog.wang/blog/rust-magic-function-params]) | ||
| - [Does Rust have a way similar to prvalue in C++?](https://users.rust-lang.org/t/does-rust-have-a-way-similar-to-prvalue-in-c/91162) | ||
| - [Don't use boxed trait objects](https://bennett.dev/dont-use-boxed-trait-objects-for-struct-internals/) | ||
| - [Rust数组长度中使用泛型参数](https://mkfs.tech/index.php/archives/31/) | ||
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| # 😋 第二阶段 - rCore | ||
| ## 实验环境配置 | ||
| 本文实验环境为 `Manjaro Linux x86_64 6.9.12-3-MANJARO` | ||
| ### Qemu 7.0.0 | ||
| ```shell | ||
| wget https://download.qemu.org/qemu-7.0.0.tar.xz | ||
| tar xvJf qemu-7.0.0.tar.xz | ||
| cd qemu-7.0.0 | ||
| ./configure --target-list=riscv64-softmmu,riscv64-linux-user | ||
| make -j$(nproc) | ||
| ``` | ||
| qemu 7.0.0 编译的时候可能会报错，解决方案如下 | ||
| 修改 `ebpf/ebpf_rss.c` 中的 `bpf_program__set_socket_filter` 为 `bpf_program__set_type(rss_bpf_ctx->progs.tun_rss_steering_prog, BPF_PROG_TYPE_SOCKET_FILTER);` | ||
|  | ||
| ### GDB | ||
| 首先是确认各项目(如 `os`, `user` 和 `easy-fs`) 的 `Cargo.toml` 中包含如下配置： | ||
| ```toml | ||
| [profile.release] | ||
| debug = true | ||
| ``` | ||
| 这一步如果没做好会导致后面GDB调试的时候断点不生效，十分重要。 | ||
| 关于 GDB 的配置也可以参考以下资料： | ||
| - [rCore (RISC-V)：GDB 使用记录](https://zjp-cn.github.io/posts/rcore-gdb/) | ||
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| ## 主要内容 | ||
| ### RISC-V 相关资料 | ||
| | 寄存器组 | 保存者 | 功能 | | ||
| | :-----: | :-----: | :-----:| | ||
| | a0~a7 (x10~x17) | 调用者保存 | 用来传递输入参数。其中的 a0 和 a1 还用来保存返回值。| | ||
| | t0~t6 (x5~x7,x28~x31) | 调用者保存 | 作为临时寄存器使用，在被调函数中可以随意使用无需保存。 | | ||
| | s0~s11 (x8~x9,x18~x27) | 被调用者保存 | 作为临时寄存器使用，被调函数保存后才能在被调函数中使用。 | | ||
|
|
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| - zero (x0) 恒为零，函数调用不会对它产生影响 | ||
| - ra (x1) 被调用者保存。被调用者函数可能也会调用函数，在调用之前就需要修改 ra 使得这次调用能正确返回。因此，每个函数都需要在开头保存 ra 到自己的栈帧中，并在结尾使用 ret 返回之前将其恢复。栈帧是当前执行函数用于存储局部变量和函数返回信息的内存结构。 | ||
| - sp (x2) 是被调用者保存的。这个是之后就会提到的栈指针(Stack Pointer)寄存器，它指向下一个将要被存储的栈顶位置。 | ||
| - fp (s0)，它既可作为s0临时寄存器，也可作为栈帧指针(Frame Pointer)寄存器，表示当前栈帧的起始位置，是一个被调用者保存寄存器。fp 指向的栈帧起始位置 和 sp 指向的栈帧的当前栈顶位置形成了所对应函数栈帧的空间范围。 | ||
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| ### 特权级的切换 | ||
| 特权级机制实现了用户态和内核态的隔离，因此这里的代码涉及到汇编与 Rust 代码的交互，硬件与操作系统的交互，与我以前接触的代码差别很大，虽然代码量不大，但难以理解。正确认识`ecall`, `sret`以及`CSR`相关的原子指令是理解这块内容的关键。 | ||
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| | CSR 名 | 该 CSR 与 Trap 相关的功能 | | ||
| | :-----------: | :-----------: | | ||
| | sstatus | SPP 等字段给出 Trap 发生之前 CPU 处在哪个特权级（S/U）等信息 | | ||
| | sepc | 当 Trap 是一个异常的时候，记录 Trap 发生之前执行的最后一条指令的地址 | | ||
| | scause | 描述 Trap 的原因 | | ||
| | stval | 给出 Trap 附加信息 | | ||
| | stvec | 控制 Trap 处理代码的入口地址| | ||
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| - csrr rd, csr (把控制状态寄存器 csr 的值写入 x[rd]) | ||
| - csrrw rd, csr, rs (记控制状态寄存器 csr 中的值为 t。把寄存器 x[rs]的值写入 csr，再把 t 写入 x[rd]。) | ||
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| ### 任务切换 | ||
| 任务切换不涉及特权级切换。任务切换同样对应用是透明的，因此也需要保存相关的寄存器。理解`__switch`的四个阶段是关键。 | ||
|  | ||
| - 阶段 [1]：在 Trap 控制流 A 调用 `__switch` 之前，A 的内核栈上只有 Trap 上下文和 Trap 处理函数的调用栈信息，而 B 是之前被切换出去的； | ||
| - 阶段 [2]：A 在 A 任务上下文空间在里面保存 CPU 当前的寄存器快照； | ||
| - 阶段 [3]：这一步极为关键，读取 `next_task_cx_ptr` 指向的 B 任务上下文，根据 B 任务上下文保存的内容来恢复 `ra` 寄存器、`s0~s11` 寄存器以及 `sp` 寄存器。只有这一步做完后， `__switch` 才能做到一个函数跨两条控制流执行，即 通过换栈也就实现了控制流的切换 。 | ||
| - 阶段 [4]：上一步寄存器恢复完成后，可以看到通过恢复 `sp` 寄存器换到了任务 B 的内核栈上，进而实现了控制流的切换。这就是为什么 `__switch` 能做到一个函数跨两条控制流执行。此后，当 CPU 执行 `ret` 汇编伪指令完成 `__switch` 函数返回后，任务 B 可以从调用 `__switch` 的位置继续向下执行。 | ||
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| ### 地址空间 | ||
| 第四章我感觉是最难的一章，突然出现了大量的新概念，代码量也激增。理解相关映射方式，跳板，地址空间的布局等是理解地址空间切换的关键。 | ||
|  | ||
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| 另外第四章的lab可以实现一个辅助函数`copy_to_app`，用来从内核地址空间复制数据到应用地址空间，这样本章和后面的lab都会方便很多。 | ||
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| ### 进程 | ||
| 这一章与前面的任务切换有些类似，理解前面的内容对这一章有很大帮助。其中进程的调度算法比较复杂，也直接影响操作系统的性能。 | ||
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| ### 文件系统 | ||
| 这一章代码量比较大，新概念也很多，感觉难度仅次于第四章。但是好在这里的代码几乎不涉及汇编等与 Rust 的交互，代码逻辑上与平时的编程较为相似，相对来说更容易理解一些。把握`easy-fs`的五个层次是关键： | ||
| - 磁盘块设备接口层 | ||
| - 块缓存层 | ||
| - 磁盘数据结构层 | ||
| - 磁盘块管理器层 | ||
| - 索引节点层 | ||
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| 另外最近校内有一个工作室的招新题涉及到了这一块，于是我用Rust实现了一个[简单的虚拟文件系统](https://github.com/caozhanhao/cnfs/)。功能很简陋，很多特性都没有支持，但是做完后感觉对文件系统这一块的理解更加深入了。 | ||
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| ### 进程间通信 | ||
| 这一章较前面简单一些，主要涉及管道、信号之类的方法，同时在练习中也了解了邮箱这种方式。这部分内容感觉与 Rust 中的mpsc有些相似。 | ||
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| ### 并发 | ||
| 这部分主要是锁，信号量与条件变量的实现。用户态锁的实现比较有意思，特别是 Peterson 算法比较绕。 | ||
| 本章lab的死锁检测比较难，看题目有些摸不着头脑。 | ||
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| 首先要辨清 `Available`, `Allocation` 和 `Need` 分别对应着什么。 | ||
| - 可利用资源向量 Available ：含有 m 个元素的一维数组，每个元素代表可利用的某一类资源的数目，其初值是该类资源的全部可用数目，其值随该类资源的分配和回收而动态地改变。 Available[j] = k，表示第 j 类资源的可用数量为 k。 | ||
| - 分配矩阵 Allocation：n * m 矩阵，表示每类资源已分配给每个线程的资源数。 Allocation[i,j] = g，则表示线程 i 当前己分得第 j 类资源的数量为 g。 | ||
| - 需求矩阵 Need：n * m 的矩阵，表示每个线程还需要的各类资源数量。 Need[i,j] = d，则表示线程 i 还需要第 j 类资源的数量为 d 。 | ||
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| 要注意的是这里的资源就是 mutex/semaphore， 第 j 类资源就是 id 为 j 的 mutex/semaphore。 | ||
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| ## 相关资料 | ||
| - [深入理解计算机系统](https://hansimov.gitbook.io/csapp) | ||
| - [RISC-V手册](http://riscvbook.com/chinese/RISC-V-Reader-Chinese-v2p1.pdf) | ||
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| [1]: https://mkfs.tech/usr/uploads/2024/11/2946624706.png | ||
| [2]: https://mkfs.tech/usr/uploads/2024/11/3753070041.png | ||
| [3]: https://mkfs.tech/usr/uploads/2024/11/1753598548.png | ||
| [4]: https://mkfs.tech/usr/uploads/2024/11/4192899132.png |