使用Rust编写操作系统（一）：独立式可执行程序

我们的第一步，是在不连接标准库的前提下，创建独立的Rust可执行文件。无需底层操作系统的支撑，这将能让在裸机（bare metal）上运行Rust代码成为现实。

简介

要编写一个操作系统内核，我们的代码应当不基于任何的操作系统特性。这意味着我们不能使用线程、文件、堆内存、网络、随机数、标准输出，或其它任何需要特定硬件和操作系统抽象的特性；这其实讲得通，因为我们正在编写自己的硬件驱动和操作系统。

实现这一点，意味着我们不能使用Rust标准库的大部分；但还有很多Rust特性是我们依然可以使用的。比如说，我们可以使用迭代器、闭包、模式匹配、Option、Result、字符串格式化，当然还有所有权系统。这些功能让我们能够编写表达性强、高层抽象的操作系统，而无需操心未定义行为和内存安全。

为了用Rust编写一个操作系统内核，我们需要独立于操作系统，创建一个可执行程序。这样的可执行程序常被称作独立式可执行程序（freestanding executable）或裸机程序(bare-metal executable)。

在这篇文章里，我们将逐步地创建一个独立式可执行程序，并且详细解释为什么每个步骤都是必须的。如果读者只对最终的代码感兴趣，可以跳转到本篇文章的小结部分。

禁用标准库

在默认情况下，所有的Rust包（crate）都会链接标准库（standard library），而标准库依赖于操作系统功能，如线程、文件系统、网络。标准库还与Rust的C语言标准库实现库（libc）相关联，它也是和操作系统紧密交互的。既然我们的计划是编写自己的操作系统，我们就可以不使用任何与操作系统相关的库——因此我们必须禁用标准库自动引用（automatic inclusion）。使用no_std属性可以实现这一点。

我们可以从创建一个新的cargo项目开始。最简单的办法是使用下面的命令：

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> cargo new blog_os

这里，我把项目命名为blog_os，当然读者也可以选择自己的项目名称。这里，cargo默认为我们添加了--bin选项，说明我们将要创建一个可执行文件（而不是一个库）；cargo还为我们添加了--edition 2018标签，指明项目的包要使用Rust的2018版次（2018 edition）。当我们执行这行指令的时候，cargo为我们创建的目录结构如下：

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blog_os
├── Cargo.toml
└── src
    └── main.rs

在这里，Cargo.toml文件包含了包的配置（configuration），比如包的名称、作者、semver版本和项目依赖项；src/main.rs文件包含包的根模块（root module）和main函数。我们可以使用cargo build来编译这个包，然后在target/debug文件夹内找到编译好的blog_os二进制文件。

no_std属性

现在我们的包依然隐式地与标准库链接。为了禁用这种链接，我们可以尝试添加no_std属性：

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// main.rs

#![no_std]

fn main() {
    println!("Hello, world!");
}

看起来非常顺利。但我们使用cargo build来编译时，却出现了下面的错误：

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error: cannot find macro `println!` in this scope
 --> src\main.rs:4:5
  |
4 |     println!("Hello, world!");
  |     ^^^^^^^

出现这个错误的原因是，println!宏是标准库的一部分，而我们的项目不再依赖标准库。我们选择不再打印字符串。这也能解释得通，因为println!将会向标准输出（standard output）打印字符，它依赖于特殊的文件描述符；这个特性是由操作系统提供的。

所以我们可以移除这行代码，这样main函数就是空的了。再次编译：

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// main.rs

#![no_std]

fn main() {}

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> cargo build
error: `#[panic_handler]` function required, but not found
error: language item required, but not found: `eh_personality`

现在我们发现，代码缺少一个#[panic_handler]函数和一个语言项（language item）。

实现panic处理函数

panic_handler属性被用于定义一个函数；在程序panic时，这个函数将会被调用。标准库中提供了自己的panic处理函数，但在no_std环境中，我们需要定义自己的panic处理函数：

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// in main.rs

use core::panic::PanicInfo;

/// 这个函数将在panic时被调用
#[panic_handler]
fn panic(_info: &PanicInfo) -> ! {
    loop {}
}

类型为PanicInfo的参数包含了panic发生的文件名、代码行数和可选的错误信息。这个函数从不返回，所以他被标记为发散函数（diverging function）。发散函数的返回类型称作Never类型（"never" type），记为!。对这个函数，我们目前能做的事情很少，所以我们只需编写一个无限循环loop {}。

eh_personality语言项

语言项是一些编译器需求的特殊函数或类型。举例来说，Rust的Copy trait是一个这样的语言项，告诉编译器哪些类型需要遵循复制语义（copy semantics）——当我们查找Copy trait的实现时，我们会发现，一个特殊的#[lang = "copy"]属性将它定义为了一个语言项，达到与编译器联系的目的。

我们可以自己实现语言项，但这只应该是最后的手段：目前来看，语言项是高度不稳定的语言细节实现，它们不会经过编译期类型检查（所以编译器甚至不确保它们的参数类型是否正确）。幸运的是，我们有更稳定的方式，来修复上面的语言项错误。

eh_personality语言项标记的函数，将被用于实现栈展开（stack unwinding）。在使用标准库的情况下，当panic发生时，Rust将使用栈展开，来运行在栈上活跃的所有变量的析构函数（destructor）——这确保了所有使用的内存都被释放，允许调用程序的父进程（parent thread）捕获panic，处理并继续运行。但是，栈展开是一个复杂的过程，如Linux的libunwind或Windows的结构化异常处理（structured exception handling, SEH），通常需要依赖于操作系统的库；所以我们不在自己编写的操作系统中使用它。

禁用栈展开

在其它一些情况下，栈展开不是迫切需求的功能；因此，Rust提供了panic时中止（abort on panic）的选项。这个选项能禁用栈展开相关的标志信息生成，也因此能缩小生成的二进制程序的长度。有许多方式能打开这个选项，最简单的方式是把下面的几行设置代码加入我们的Cargo.toml：

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[profile.dev]
panic = "abort"

[profile.release]
panic = "abort"

这些选项能将dev配置（dev profile）和release配置（release profile）的panic策略设为abort。dev配置适用于cargo build，而release配置适用于cargo build --release。现在编译器应该不再要求我们提供eh_personality语言项实现。

现在我们已经修复了出现的两个错误，可以信心满满地开始编译了。然而，尝试编译运行后，一个新的错误出现了：

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> cargo build
error: requires `start` lang_item

start语言项

这里，我们的程序遗失了start语言项，它将定义一个程序的入口点（entry point）。

我们通常会认为，当运行一个程序时，首先被调用的是main函数。但是，大多数语言都拥有一个运行时系统（runtime system），它通常为垃圾回收（garbage collection）或绿色线程（software threads，或green threads）服务，如Java的GC或Go语言的协程（goroutine）；这个运行时系统需要在main函数前启动，因为它需要让程序初始化。

一个典型的使用标准库的Rust程序，它的运行将从名为crt0的运行时库开始。crt0意为C runtime zero，它能建立一个适合运行C语言程序的环境，这包含了栈的创建和可执行程序参数的传入。这之后，这个运行时库会调用Rust的运行时入口点，这个入口点被称作start语言项（"start" language item）。Rust只拥有一个极小的运行时，它只拥有较少的功能，如爆栈检测和打印堆栈轨迹（stack trace）。这之后，运行时将会调用main函数。

我们的独立式可执行程序并不能访问Rust运行时或crt0库，所以我们需要定义自己的入口点。实现一个start语言项并不能解决问题，因为这之后程序依然要求crt0库。所以，我们要做的是，直接重写整个crt0库和它定义的入口点。

重写入口点

要告诉Rust编译器我们不使用预定义的入口点，我们可以添加#![no_main]属性。

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#![no_std]
#![no_main]

use core::panic::PanicInfo;

/// 这个函数将在panic时被调用
#[panic_handler]
fn panic(_info: &PanicInfo) -> ! {
    loop {}
}

读者也许会注意到，我们移除了main函数。很显然，既然没有底层已有的运行时调用它，main函数将不会被运行。为了重写操作系统的入口点，我们转而编写一个_start函数：

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#[no_mangle]
pub extern "C" fn _start() -> ! {
    loop {}
}

我们使用no_mangle标记这个函数，来对它禁用名称重整（name mangling）——这确保Rust编译器输出一个名为_start的函数；否则，编译器可能最终生成名为_ZN3blog_os4_start7hb173fedf945531caE的函数，无法让链接器正确辨别。

我们还将函数标记为extern "C"，告诉编译器这个函数应当使用C语言的调用约定，而不是Rust语言的调用约定。函数名为_start，是因为大多数系统默认使用这个名字作为入口点名称。

与前文的panic函数类似，这个函数的返回值类型为!——它定义了一个发散函数，或者说一个不允许返回的函数。这一点是必要的，因为这个入口点不将被任何函数调用，但将直接被操作系统或引导程序（bootloader）调用。所以作为函数返回的替换，这个入口点应该调用，比如操作系统提供的exit系统调用（"exit" system call）函数。在我们编写操作系统的情况下，关机应该是一个合适的选择，因为当一个独立式可执行程序返回时，不会留下任何需要做的事情（there is nothing to do if a freestanding binary returns）。暂时来看，我们可以添加一个无限循环，这样可以符合返回值的类型。

如果我们现在编译这段程序，会出来一大段不太好看的链接器错误（linker error）。

链接器错误

链接器（linker）是一个程序，它将生成的目标文件组合为一个可执行文件。不同的操作系统如Windows、macOS、Linux，规定了不同的可执行文件格式，因此也各有自己的链接器，抛出不同的错误；但这些错误的根本原因还是相同的：链接器的默认配置假定程序依赖于C语言的运行时环境，但我们的程序并不依赖于它。

为了解决这个错误，我们需要告诉链接器，它不应该包含（include）C语言运行环境。我们可以选择提供特定的链接器参数（linker argument），也可以选择编译为裸机目标（bare metal target）。

编译为裸机目标

在默认情况下，Rust尝试适配当前的系统环境，编译可执行程序。举个栗子，如果你使用x86_64平台的Windows系统，Rust将尝试编译一个扩展名为.exe的Windows可执行程序，并使用x86_64指令集。这个环境又被称作你的宿主系统（"host" system）。

为了描述不同的环境，Rust使用一个称为目标三元组（target triple）的字符串。要查看当前系统的目标三元组，我们可以运行$ rustc --version --verbose：

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rustc 1.35.0-nightly (474e7a648 2019-04-07)
binary: rustc
commit-hash: 474e7a6486758ea6fc761893b1a49cd9076fb0ab
commit-date: 2019-04-07
host: x86_64-unknown-linux-gnu
release: 1.35.0-nightly
LLVM version: 8.0

上面这段输出来自于x86_64平台下的Linux系统。我们能看到，host字段的值为三元组x86_64-unknown-linux-gnu，它分为以下几个部分：CPU架构x86_64；供应商unknown；操作系统linux和二进制接口gnu。

Rust编译器尝试为当前系统的三元组编译，并假定底层有一个类似于Windows或Linux的操作系统提供C语言运行环境——这将导致链接器错误。所以，为了避免这个错误，我们可以另选一个底层没有操作系统的运行环境。

这样的运行环境被称作裸机环境，例如目标三元组thumbv7em-none-eabihf描述了一个ARM嵌入式系统（embedded system）。我们暂时不需要了解它的细节，只需要知道这个环境底层没有操作系统——这是由三元组中的none描述的。我们需要用rustup安装这个目标：

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rustup target add thumbv7em-none-eabihf

这行命令将为目标下载一个标准库和core库。这之后，我们就能为这个目标构建独立式可执行程序了：

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cargo build --target thumbv7em-none-eabihf

我们传递了--target参数，来为裸机目标系统交叉编译（cross compile）我们的程序。我们的目标并不包括操作系统，所以链接器不会试着链接C语言运行环境，因此构建过程成功完成，不会产生链接器错误。

我们将使用这个方法编写自己的操作系统内核。我们不将编译到thumbv7em-none-eabihf，而是使用描述x86_64环境的自定义目标（custom target）。在下篇文章中，我们将详细描述一些相关的细节。

链接器参数

我们也可以选择不编译到裸机系统，因为传递特定的参数也能解决链接器错误问题。虽然我们不将在后文中使用这个方法，为了教程的完整性，我们也撰写了专门的短文，来提供这个途径的解决方案。

链接器参数

小结

一个用Rust编写的最小化的独立式可执行程序应该长这样：

src/main.rs：

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#![no_std] // 不链接Rust标准库
#![no_main] // 禁用所有Rust层级的入口点

use core::panic::PanicInfo;

#[no_mangle] // 不重整函数名
pub extern "C" fn _start() -> ! {
    // 因为编译器会寻找一个名为`_start`的函数，所以这个函数就是入口点
    // 默认命名为`_start`
    loop {}
}

/// 这个函数将在panic时被调用
#[panic_handler]
fn panic(_info: &PanicInfo) -> ! {
    loop {}
}

Cargo.toml：

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[package]
name = "crate_name"
version = "0.1.0"
authors = ["Author Name <author@example.com>"]

# 使用`cargo build`编译时需要的配置
[profile.dev]
panic = "abort" # 禁用panic时栈展开

# 使用`cargo build --release`编译时需要的配置
[profile.release]
panic = "abort" # 禁用panic时栈展开

选用任意一个裸机目标来编译。比如对thumbv7em-none-eabihf，我们使用以下命令：

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cargo build --target thumbv7em-none-eabihf

要注意的是，现在我们的代码只是一个Rust编写的独立式可执行程序的一个例子。运行这个二进制程序还需要很多准备，比如在_start函数之前需要一个已经预加载完毕的栈。所以为了真正运行这样的程序，我们还有很多事情需要做。

下篇预告

基于这篇文章的成果，下一篇文章要做的更深。我们将详细讲述编写一个最小的操作系统内核需要的步骤：如何配置特定的编译目标，如何将可执行程序与引导程序拼接，以及如何把一些特定的字符串打印到屏幕上。