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source/_posts/2023秋冬季开源操作系统训练营第三阶段总结报告-郝淼.md

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+title: 2023开源操作系统训练营第三阶段总结报告-郝淼
+date: 2023-11-29 14:30:43
+categories:
+    - oscamp 2023fall arceos unikernel
+tags:
+    - author:MiaoHao-oops
+    - 2023秋冬季开源操作系统训练营
+    - 第三阶段总结报告
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+## 第一周练习总结
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+第一周的 5 个练习的主要目的是了解 ArceOS 的基本代码组织结构，为后面的任务打下基础。
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+### 练习 1、2
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+**练习 1** 要求实现彩色打印 `println!`，这个任务我采用了修改 `axstd::println!` 来实现，这是出于架构兼容性的考虑，不应修改太过底层的代码。具体实现是利用了 ANSI 转义序列。
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+**练习 2** 要求支持 `HashMap` 并通过测试。之所以 Rust 核心库中没有 `HashMap`，是因为 `HashMap` 需要调用产生随机数的接口，而这个接口是架构相关的。因此，练习 2 的核心是实现 `axstd` 可调用的 `fn random() -> u128` 接口。
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+自底向上实现 `random` 的过程：
+  - `axhal::random::random()`：在 `axhal` 层实现架构相关的 `random()` 接口，它调用了 `axhal::time::current_ticks()`
+  - `arceos_api::random::ax_random()`：定义 `ax_random` 接口，通过 `pub use axhal::random::random as ax_random;` 将其直接实现为 `axhal::random::random()`
+  - 在 `axstd` 中可调用 `arceos_api::random::ax_random()`
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+### 练习 3、4
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+**练习 3** 要求实现内存分配器 `early`。ArceOS 中包含两个内存分配器 `palloc` 和 `balloc`，`palloc` 用于以页单位的内存分配，`balloc` 被指定为 Rust 的 `#[global_allocator]`，这样我们就可以使用 Rust 中如 `Vec`，`String` 等这些堆上可变长的数据类型。这两个内存分配器都包含在一个全局内存分配器 `GLOBAL_ALLOCATOR` 中。
+
+`early` 分配器既是 `palloc` 又是 `balloc`，因此这里遇到一个问题：`GLOBAL_ALLOCATOR` 中使用了一对智能指针分别指向了 `palloc` 和 `balloc` 实例，但由于 `early` 分配器的特点，`early` 在全局只有一个实例，并且其中的 `palloc` 和 `balloc` 还需要共享数据。
+
+因此，我将 `GLOBAL_ALLOCATOR` 可能的类型分为两种：
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+- `SeparateAllocator`：分离式内存分配器，`palloc` 和 `balloc` 是两个，当 `balloc` 可用内存不足时，向 `palloc` 请求内存
+- `AIOAllocator`：一体式内存分配器，`palloc` 和 `balloc` 是同一个，两个内存分配器中共享剩余可用内存
+
+此外，我定义了 `trait GlobalAllocator`，与原来的 `GlobalAllocator` 类中实现的方法保持一致。而后，为 `SeparateAllocator` 和 `AIOAllocator` 分别实现 `GlobalAllocator`，然后在 `toml` 中增加关于 `early` 的选项，即可达成练习目标。
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+**练习 4** 要求通过 `rust_main()` 的参数 `dtb` 解析 dtb。这一练习的关键是找到一个合适的 crate，我使用的是 `hermit-dtb = "0.1.1"`。
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+### 练习 5
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+练习 5 要求将 FIFO 算法改变为抢占式的。FIFO 算法原本维护了一个队列，靠进程主动放弃 CPU 触发调度。在抢占式中，需要将原本的 `List` 修改为双端队列 `VecDequeue`，这样在 `remove_task(&mut self, task: &Self::SchedItem)` 中，修改为先找到 `task` 的下标，然后根据下标将其从队列中删除；在 `put_prev_task(&mut self, prev: Self::SchedItem, preempt: bool)` 如果此时是可以抢占的，就将 `prev` 放入队尾，否则将其放在队头，相当于调度器选择的还是当前的任务；最后，将 `task_tick` 的返回值恒置为 `true` 这样每次时钟中断发生时都能进行调度。
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+## 第二周练习总结
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+第二周在一个个小练习后逐渐实现了一个可以加载二进制文件的 loader，并且加载的应用有独立的地址空间。
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+### 练习 1、2
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+实际上练习1、2的任务是实现一个简易的文件系统。我的设计如下：
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+```Rust
+struct ImgHeader {
+    app_num: usize,
+}
+
+struct AppHeader {
+    app_size: usize,
+}
+```
+
+将 1 个 `ImgHeader` 放在 pflash 头部，而后紧接着`app_num` 个 `AppHeader` 用于指示每个应用的大小。
+
+生成二进制镜像，添加这写头部信息我是用 C 语言实现的，在此不再赘述。
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+### 练习 3
+
+批处理的方式下，先加载第一个应用，然后运行；而后加载第二个应用，然后运行。这两个应用均被加载到一个固定的地址。
+
+在 loader 中，使用 `jalr` 指令通过函数调用执行一个应用，因此，在进入应用程序的主函数时，`ra` 寄存器已经被加载为返回地址，想要从应用程序返回，只需要将函数签名返回值部分的 `-> !` 改为 `-> ()` 或者直接删除即可。这样，应用程序生成的汇编代码最后是一条 `ret` 指令，恰好能返回到 loader。
+
+### 练习 4、5
+
+练习 4 将 `sys_terminate` 封装为对 `axstd::process::exit` 的调用即可。
+
+练习 5 我将所有的 abi 调用和为一个分发函数：
+
+```rust
+fn abi_entry(abi_num: usize, arg0: usize) {
+    match abi_num {
+        SYS_HELLO => abi_hello(),
+        SYS_PUTCHAR => abi_putchar(arg0 as u8 as char),
+        SYS_TERMINATE => abi_terminate(arg0 as i32),
+        _ => panic!("unsupport abi call!"),
+    }
+}
+```
+
+然后将这个函数的地址作为第一个参数传入应用，即通过 `a0` 传参：
+
+```rust
+unsafe extern "C" fn _start(abi_entry: usize) -> !
+```
+
+在应用中，封装 `putchar` 等函数：
+
+```rust
+fn putchar(c: u8) {
+    unsafe {
+        core::arch::asm!("
+            li      a0, {abi_num}
+            la      t0, {abi_entry_addr}
+            ld      t0, (t0)
+            jalr    t0",
+            abi_num = const SYS_PUTCHAR,
+            abi_entry_addr = sym ABI_ENTRY,
+            in("a1") c,
+            clobber_abi("C"),
+        )
+    }
+}
+```
+
+实际上，所有 abi 函数都是跳转到 `abi_entry` 执行，不同之处在与参数的传递，我规定第一个参数 `a0` 是 abi 号，后面的是 abi 函数的参数。在 `putchar` 中，`a0` 被设置为 `SYS_PUTCHAR`，`a1` 被设置为 `c` 的值。注意，在内联汇编的结尾要加上 `clobber_abi("C")`，保持寄存器在执行这段汇编代码前后的一致，否则将出现混乱。
+
+### 练习 6
+
+目前，在批处理且每个应用地址空间相同的情况下，练习 6 实现起来比较简单，保持每个应用复用全局的应用页表 `APP_PT_SV39` 即可。