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.. _term-print-userminienv:
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构建用户态执行环境
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=================================
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.. toctree::
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:hidden:
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:maxdepth: 5
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.. note::
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前三小节的用户态程序案例代码在 `此处 <https://github.com/LearningOS/rCore-Tutorial-Book-2021Autumn/tree/ch2-U-nostd>`_ 获取。
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用户态最小化执行环境
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执行环境初始化
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首先我们要给 Rust 编译器编译器提供入口函数 ``_start()`` ，
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在 ``main.rs`` 中添加如下内容：
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.. code-block:: rust
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// os/src/main.rs
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#[no_mangle]
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extern "C" fn _start() {
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loop{};
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}
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对上述代码重新编译，再用分析工具分析：
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.. code-block:: console
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$ cargo build
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Compiling os v0.1.0 (/home/shinbokuow/workspace/v3/rCore-Tutorial-v3/os)
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Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.06s
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[反汇编导出汇编程序]
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$ rust-objdump -S target/riscv64gc-unknown-none-elf/debug/os
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target/riscv64gc-unknown-none-elf/debug/os: file format elf64-littleriscv
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Disassembly of section .text:
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0000000000011120 <_start>:
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; loop {}
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11120: 09 a0 j 2 <_start+0x2>
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11122: 01 a0 j 0 <_start+0x2>
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反汇编出的两条指令就是一个死循环，
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这说明编译器生成的已经是一个合理的程序了。
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用 ``qemu-riscv64 target/riscv64gc-unknown-none-elf/debug/os`` 命令可以执行这个程序。
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程序正常退出
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我们把 ``_start()`` 函数中的循环语句注释掉，重新编译并分析，看到其汇编代码是：
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.. code-block:: console
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$ rust-objdump -S target/riscv64gc-unknown-none-elf/debug/os
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target/riscv64gc-unknown-none-elf/debug/os: file format elf64-littleriscv
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Disassembly of section .text:
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0000000000011120 <_start>:
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; }
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11120: 82 80 ret
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看起来是合法的执行程序。但如果我们执行它，会引发问题：
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.. code-block:: console
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$ qemu-riscv64 target/riscv64gc-unknown-none-elf/debug/os
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段错误 (核心已转储)
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这个简单的程序导致 ``qemu-riscv64`` 崩溃了！为什么会这样？
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.. note::
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QEMU有两种运行模式：
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``User mode`` 模式，即用户态模拟，如 ``qemu-riscv64`` 程序，
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能够模拟不同处理器的用户态指令的执行，并可以直接解析ELF可执行文件，
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加载运行那些为不同处理器编译的用户级Linux应用程序。
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``System mode`` 模式，即系统态模式，如 ``qemu-system-riscv64`` 程序，
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能够模拟一个完整的基于不同CPU的硬件系统，包括处理器、内存及其他外部设备，支持运行完整的操作系统。
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目前的执行环境还缺了一个退出机制，我们需要操作系统提供的 ``exit`` 系统调用来退出程序。这里先给出代码：
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.. code-block:: rust
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// os/src/main.rs
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const SYSCALL_EXIT: usize = 93;
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fn syscall(id: usize, args: [usize; 3]) -> isize {
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let mut ret;
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unsafe {
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core::arch::asm!(
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"ecall",
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inlateout("x10") args[0] => ret,
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in("x11") args[1],
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in("x12") args[2],
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in("x17") id,
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);
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}
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ret
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}
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pub fn sys_exit(xstate: i32) -> isize {
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syscall(SYSCALL_EXIT, [xstate as usize, 0, 0])
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}
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#[no_mangle]
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extern "C" fn _start() {
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sys_exit(9);
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}
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``main.rs`` 增加的内容不多，但还是有点与一般的应用程序有所不同，因为它引入了汇编和系统调用。
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第二章的第二节 :doc:`/chapter2/2application` 会详细介绍上述代码的含义。
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这里读者只需要知道 ``_start`` 函数调用了一个 ``sys_exit`` 函数，
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向操作系统发出了退出的系统调用请求，退出码为 ``9`` 。
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我们编译执行以下修改后的程序：
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.. code-block:: console
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$ cargo build --target riscv64gc-unknown-none-elf
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Compiling os v0.1.0 (/media/chyyuu/ca8c7ba6-51b7-41fc-8430-e29e31e5328f/thecode/rust/os_kernel_lab/os)
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Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.26s
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[打印程序的返回值]
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$ qemu-riscv64 target/riscv64gc-unknown-none-elf/debug/os; echo $?
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9
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可以看到，返回的结果确实是 ``9`` 。这样，我们勉强完成了一个简陋的用户态最小化执行环境。
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有显示支持的用户态执行环境
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没有 ``println`` 输出信息，终究觉得缺了点啥。
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Rust 的 core 库内建了以一系列帮助实现显示字符的基本 Trait 和数据结构，函数等，我们可以对其中的关键部分进行扩展，就可以实现定制的 ``println!`` 功能。
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实现输出字符串的相关函数
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.. attention::
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如果你觉得理解 Rust 宏有困难，把它当成黑盒就好！
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学习rust宏的参考链接: `The Little Book of Rust Macros <https://veykril.github.io/tlborm/introduction.html>`_
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首先封装一下对 ``SYSCALL_WRITE`` 系统调用。
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.. code-block:: rust
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// os/src/main.rs
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const SYSCALL_WRITE: usize = 64;
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pub fn sys_write(fd: usize, buffer: &[u8]) -> isize {
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syscall(SYSCALL_WRITE, [fd, buffer.as_ptr() as usize, buffer.len()])
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}
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然后实现基于 ``Write`` Trait 的数据结构，并完成 ``Write`` Trait 所需要的 ``write_str`` 函数，并用 ``print`` 函数进行包装。最后，基于 ``print`` 函数，实现Rust语言 **格式化宏** ( `formatting macros <https://doc.rust-lang.org/std/fmt/#related-macros>`_ )。
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.. code-block:: rust
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// os/src/console.rs
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use core::fmt::{Write, Arguments, Result};
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use crate::sys_write;
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struct Stdout;
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impl Write for Stdout {
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fn write_str(&mut self, s: &str) -> Result {
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sys_write(1, s.as_bytes());
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Ok(())
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}
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}
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pub fn print(args: Arguments) {
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Stdout.write_fmt(args).unwrap();
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}
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macro_rules! print {
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($fmt: literal $(, $($arg: tt)+)?) => {
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$crate::console::print(format_args!($fmt $(, $($arg)+)?));
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}
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}
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macro_rules! println {
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($fmt: literal $(, $($arg: tt)+)?) => {
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$crate::console::print(format_args!(concat!($fmt, "\n") $(, $($arg)+)?));
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}
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}
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注： ``os/src/console.rs`` 文件的代码中使用到了 ``main.rs`` 文件中的sys_write方法，需要说明在文件头部声明 ``use crate::sys_write;`` 。
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而 ``main.rs`` 为了能够用到 ``console.rs`` 提供的功能，也需要添加对 console 的引用。主要的添加如下：
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.. code-block:: rust
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// os/src/main.rs
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//... other code
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#[macro_use]
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mod console;
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//... other code
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...
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接下来，我们调整一下应用程序，让它发出显示字符串和退出的请求：
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.. code-block:: rust
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// os/src/main.rs
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#[no_mangle]
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extern "C" fn _start() {
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print!("Hello, "");
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println!("world!");
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sys_exit(9);
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}
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现在，我们编译并执行一下，可以看到正确的字符串输出，且程序也能正确退出！
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.. code-block:: console
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$ cargo build --target riscv64gc-unknown-none-elf
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Compiling os v0.1.0 (/media/chyyuu/ca8c7ba6-51b7-41fc-8430-e29e31e5328f/thecode/rust/os_kernel_lab/os)
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Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.61s
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$ qemu-riscv64 target/riscv64gc-unknown-none-elf/debug/os; echo $?
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Hello, world!
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9
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.. 下面出错的情况是会在采用 linker.ld，加入了 .cargo/config
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.. 的内容后会出错：
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.. .. [build]
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.. .. target = "riscv64gc-unknown-none-elf"
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.. .. [target.riscv64gc-unknown-none-elf]
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.. .. rustflags = [
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.. .. "-Clink-arg=-Tsrc/linker.ld", "-Cforce-frame-pointers=yes"
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.. .. ]
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.. 重新定义了栈和地址空间布局后才会出错
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.. 段错误 (核心已转储)
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.. 系统崩溃了！借助以往的操作系统内核编程经验和与下一节调试kernel的成果经验，我们直接定位为是 **栈** (Stack) 没有设置的问题。我们需要添加建立栈的代码逻辑。
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.. .. code-block:: asm
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.. # entry.asm
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.. .section .text.entry
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.. .globl _start
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.. _start:
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.. la sp, boot_stack_top
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.. call rust_main
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.. .section .bss.stack
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.. .globl boot_stack
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||
.. boot_stack:
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.. .space 4096 * 16
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||
.. .globl boot_stack_top
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||
.. boot_stack_top:
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.. 然后把汇编代码嵌入到 ``main.rs`` 中，并进行微调。
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.. .. code-block:: rust
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.. #![feature(global_asm)]
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.. global_asm!(include_str!("entry.asm"));
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.. #[no_mangle]
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.. #[link_section=".text.entry"]
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.. extern "C" fn rust_main() {
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.. 再次编译执行，可以看到正确的字符串输出，且程序也能正确结束！
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