uCore并发

发表于 2025-12-13 更新于 2025-12-14

uCore并发

引言

线程定义

简单地说，线程是进程的组成部分，进程可包含1 – n个线程，属于同一个进程的线程共享进程的资源，比如 地址空间、打开的文件等。基本的线程由线程ID、执行状态、当前指令指针 (PC)、寄存器集合和栈组成。线程是可以被操作系统或用户态调度器独立调度（Scheduling）和分派（Dispatch）的基本单位。进程是线程的资源容器，线程成为了程序的基本执行实体。

同步互斥

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uCore进程间通信

发表于 2025-12-13 更新于 2025-12-14

进程间通信

基于文件的管道

// os/src/fs/pipe.rs

pub struct Pipe {
    readable: bool,
    writable: bool,
    buffer: Arc<Mutex<PipeRingBuffer>>,
}

通过 buffer 字段还可以找到该管道端所在的管道自身。后续我们将为它实现 File Trait ，之后它便可以通过文件描述符来访问。

// os/src/fs/pipe.rs

const RING_BUFFER_SIZE: usize = 32;

#[derive(Copy, Clone, PartialEq)]
enum RingBufferStatus {
    FULL,
    EMPTY,
    NORMAL,
}

pub struct PipeRingBuffer {
    arr: [u8; RING_BUFFER_SIZE],
    head: usize,
    tail: usize,
    status: RingBufferStatus,
    write_end: Option<Weak<Pipe>>,
}

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uCore文件系统

发表于 2025-12-09 更新于 2025-12-14

文件系统

整体逻辑

graph BT
    %% 核心模块：easy-fs（文件系统核心逻辑）
    subgraph easy-fs ["easy-fs（文件系统核心算法）"]
        direction BT
        subgraph BD ["抽象层：BlockDevice（块设备接口）"]
            direction TB
            read_block("read_block")
            write_block("write_block")
        end

        subgraph BC ["缓存层：BlockCache（块缓存）"]
            direction TB
            read("read")
            modify("modify")
            bc_other("其他缓存操作...")
        end

        subgraph LAY ["布局层：存储结构定义"]
            direction TB
            SB("SuperBlock（超级块）")
            BM("Bitmap（位图）")
            DI("DiskInode（磁盘索引节点）")
            DE("DirEntry（目录项）")
            DB("DataBlock（数据块）")
        end

        subgraph BMGR ["管理层：文件系统实例/接口"]
            direction TB
            EFS("EasyFileSystem（文件系统实例）")
            INODE("Inode（文件/目录操作接口）")
        end

        %% easy-fs 内部链路（修正方向）
        BD -->|读写物理块| BC
        BC -->|缓存读写| LAY
        LAY -->|基于布局实现| BMGR
    end

    %% 辅助工具：easy-fs 配套工具（宿主机侧）
    subgraph easy-fs-tools ["easy-fs-tools（宿主机工具）"]
        direction TB
        pack("easy_fs_pack（打包工具）")
        fuse("easy-fs-fuse（FUSE调试工具）")
    end
    easy-fs -->|依赖核心逻辑| pack
    pack -->|生成镜像| fs_img["fs.img（raw格式镜像）"]
    easy-fs -->|适配FUSE接口| fuse
    fuse -->|挂载调试| fs_img

    %% QEMU（虚拟硬件层）
    subgraph qemu ["QEMU（虚拟硬件）"]
        direction TB
        drive("-drive file=fs.img（后端存储）")
        virtio_dev("-device virtio-blk-device（虚拟块设备）")
    end
    fs_img -->|作为后端存储| drive
    drive -->|绑定到虚拟设备| virtio_dev

    %% os 内核（驱动+文件系统调用）
    subgraph os ["os（内核层）"]
        direction TB
        subgraph VIRTIO ["驱动层：VirtIOBlock"]
            direction TB
            virtio_bd("实现 BlockDevice 接口")
            virtio_ops("virtio-blk 读写操作")
        end
        subgraph FS_CALL ["应用层：文件系统调用"]
            direction TB
            fs_open("open/read/write")
            fs_exec("执行ELF文件")
        end
    end
    %% 内核链路
    qemu -->|暴露虚拟硬件| virtio_dev
    virtio_dev -->|内核枚举设备| VIRTIO
    VIRTIO -->|适配接口| easy-fs
    easy-fs -->|提供文件操作| FS_CALL

文件与文件描述符

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uCore进程及进程管理

发表于 2025-12-02 更新于 2025-12-14

uCore：进程及进程管理

我们将开发一个用户终端 (Terminal) 或 命令行 (Command Line Application, 俗称 Shell ) ，形成用户与操作系统进行交互的命令行界面 (Command Line Interface)。

为此，我们要对任务建立新的抽象：进程，并实现若干基于进程的强大系统调用。

flowchart LR
    subgraph init["初始化阶段：无用户任务"]
        direction LR
        registers_0("registers.cx: idle运行状态"):::pink
        current_0("current: None"):::purple
        idle_task_cx_0("idle_task_cx: zero.ctx（占位）"):::green
    end

    subgraph stage_1["阶段1：fetch_task"]
        direction LR
        registers_1("registers.cx: task.cx（用户任务状态）"):::pink
        current_1("current: Some(task)"):::purple
        idle_task_cx_1("idle_task_cx: 原registers.cx（idle休眠状态）"):::green
    end

    subgraph stage_2["阶段2：suspend"]
        direction LR
        registers_2("registers.cx: idle运行状态（从idle_task_cx_1加载）"):::pink
        current_2("current: None"):::purple
        idle_task_cx_2("idle_task_cx: 原registers_1（用户任务挂起状态）"):::green
    end

    subgraph stage_3["阶段3：exit→用户任务退出"]
        direction LR
        registers_3("registers.cx: idle运行状态（从idle_task_cx_1加载）"):::pink
        current_3("current: None"):::purple
        idle_task_cx_3("idle_task_cx: 原idle_task_cx_1（无变化）"):::green
    end

    subgraph TaskManager["TaskManager：就绪队列"]
        t_task("task.cx: 用户任务挂起状态（仅suspend后存在）"):::coral
    end

    %% 流转逻辑（补充关键动作标注）
    init -->|init| stage_1
    stage_1 -->|suspend| stage_2
    stage_1 -->|exit| stage_3

    %% 状态转移细节
    current_1 -->|take_current后add_task，共享task所有权| TaskManager
    registers_1 -->|__switch保存用户任务状态到task.cx| t_task
    idle_task_cx_1 -->|__switch加载idle状态到寄存器| registers_2
    idle_task_cx_1 -->|__switch加载idle状态到寄存器| registers_3

    %% 样式定义（沿用你的设计）
    classDef pink fill:#FFCCCC,stroke:#333, color: #fff, font-weight:bold;
    classDef green fill: #696,color: #fff,font-weight: bold;
    classDef purple fill:#969,stroke:#333, font-weight: bold;
    classDef error fill:#bbf,stroke:#f66,stroke-width:2px,color:#fff,stroke-dasharray: 5 5;
    classDef coral fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px;
    classDef animate stroke-dasharray: 9,5,stroke-dashoffset: 900,animation: dash 25s linear infinite;

与进程有关的重要系统调用

重要系统调用

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uCore地址空间

发表于 2025-11-21 更新于 2025-12-14

在这个章节，我们会实现虚拟内存机制。

物理空间和虚拟空间

虚拟空间连续，物理空间不一定连续！

flowchart LR
    %% 样式定义（避开关键字，用合法语法）
    classDef structStyle fill:#f0f8ff,stroke:#2c3e50,stroke-width:2px,rounded:10px
    classDef vaStyle fill:#fdf2f8,stroke:#9b59b6,stroke-width:2px,rounded:10px
    classDef vpnStyle fill:#fef7fb,stroke:#9b59b6,stroke-width:1px,rounded:8px,padding:10px
    classDef paStyle fill:#e8f4f8,stroke:#3498db,stroke-width:2px,rounded:10px
    classDef ppnStyle fill:#f0f8ff,stroke:#3498db,stroke-width:1px,rounded:8px,padding:10px
    classDef fieldStyle font-weight:bold,color:#2c3e50
    classDef connStyle stroke:#7f8c8d,stroke-width:1.5px,arrowheadStyle:fill:#7f8c8d

    %% 上层：结构体（连续字段）
    subgraph Struct["📦 TimeVal 结构体（连续虚拟内存视图）"]
        direction TB
        sec["sec
usize (8字节)"]:::fieldStyle
        usec["usec
usize (8字节)"]:::fieldStyle
    end
    class Struct structStyle

    %% 中层：虚拟地址 VA（连续，跨2个虚拟页）
    subgraph VA["🌐 虚拟地址 VA（连续）"]
        direction LR
        subgraph VPN0["VPN0（虚拟页0）"]
            %% 修正：sec 位于 VPN0 末尾，VA = 页起始 + (4KB-8) = 0x40200000 + 0xFF8 = 0x40200FF8
            va_sec["0x40200FF8
[页内偏移: 0xFF8 = 4KB-8]"]
        end
        subgraph VPN1["VPN1（虚拟页1）"]
            %% 修正：usec 位于 VPN1 起始，页内偏移 0x000
            va_usec["0x40201000
[页内偏移: 0x000]"]
        end
        note_va["页大小：4KB (0x1000)
VPN0范围：0x40200000~0x40200FFF
VPN1范围：0x40201000~0x40201FFF"]
        class note_va vaStyle
    end
    class VA vaStyle

    %% 下层：物理地址 PA（离散）
    subgraph PA["💾 物理地址 PA（离散）"]
        subgraph PPN0["PPN0（物理页0）"]
            %% 物理页0起始 + 偏移0xFF8 = 0x8000 + 0xFF8 = 0x8FF8
            pa_sec["0x8FF8
[页内偏移: 0xFF8]"]
        end
        subgraph PPN1["PPN1（物理页1）"]
            %% 物理页1起始 + 偏移0x000 = 0x4000 + 0x000 = 0x4000
            pa_usec["0x4000
[页内偏移: 0x000]"]
        end
        note_pa["物理页独立分配，地址不连续
PPN0范围：0x8000~0x8FFF
PPN1范围：0x4000~0x4FFF"]
        class note_pa paStyle
    end
    class PA paStyle

    %% 映射关系（字段 → VA → PA）
    sec -.->|字段对应VA| va_sec:::connStyle
    usec -.->|字段对应VA| VPN1:::connStyle
    va_sec -.->|页表翻译（VPN0→PPN0）| pa_sec:::connStyle
    va_usec -.->|页表翻译（VPN1→PPN1）| pa_usec:::connStyle

    %% 核心结论标注（突出问题）
    conclusion["⚠️  核心问题：
结构体VA连续（跨页边界），但映射的PA离散
内核需拆为2段写入：
1. PPN0的0x8FF8~0x8FFF（6字节？不，8字节刚好）
2. PPN1的0x4000~0x4007"]:::structStyle
    PA -.->|体现| conclusion:::connStyle

管理SV39多级页表

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uCore分时任务

发表于 2025-11-18 更新于 2025-12-14

多道程序与分时多任务

内存调度模型

flowchart LR
    %% 按类型定义专属样式（遵循通俗约定：函数=蓝、结构体=绿、寄存器=紫、栈=浅红、内存=黄、管理组件=深蓝）
    classDef func fill:#4299e1, stroke:#2563eb, stroke-width:2px, color:#fff, font-weight:bold, rounded:8px, font-size:14px;
    classDef struct fill:#4ade80, stroke:#16a34a, stroke-width:2px, color:#1e293b, font-weight:bold, rounded:8px, font-size:14px;
    classDef reg fill:#a855f7, stroke:#7e22ce, stroke-width:2px, color:#fff, font-weight:bold, rounded:6px, font-size:13px;
    classDef stack fill:#fecaca, stroke:#dc2626, stroke-width:2px, color:#7f1d1d, font-weight:600, rounded:8px, font-size:13px;
    classDef memory fill:#fde047, stroke:#ca8a04, stroke-width:2px, color:#78350f, font-weight:600, rounded:8px, font-size:13px;
    classDef manager fill:#1e40af, stroke:#1e3a8a, stroke-width:2px, color:#fff, font-weight:bold, rounded:10px, font-size:14px;
    classDef transition stroke:#64748b, stroke-width:1.5px, stroke-linecap:round, font-size:12px, font-family:Arial;
    classDef subgraphTitle fill:#1e293b, font-weight:bold, font-size:14px, font-family:Arial;

    %% 栈（USER_STACK/KERNEL_STACK）
    subgraph USER_STACK["USER_STACK"]
        direction LR
        US1("..."):::stack
        US0("UserStack 0"):::stack
    end
    subgraph KERNEL_STACK["KERNEL_STACK"]
        direction LR
        KS1("..."):::stack
        KS0("KernelStack 0"):::stack
    end

    %% 内存/二进制代码
    subgraph Memory["Memory"]
       direction LR
        M1("..."):::memory
        M0("Task 0 Code"):::memory
    end

    %% 任务相关（结构体：TaskControlBlock/TaskStatus/TaskContext/TrapContext）
    subgraph tasks["tasks"]
       subgraph TaskControlBlock1["TaskControlBlock1"]
        TaskContext1("..."):::struct
        TaskStatus1("..."):::struct
       end
       subgraph TaskControlBlock0["TaskControlBlock0"]
        subgraph TaskContext0["TaskContext0"]
            ra0("ra"):::reg 
            sp0("sp"):::reg
            s0("s0 ~ s11"):::reg
        end
        TaskStatus0("TaskStatus 0"):::struct
       end
    end
    subgraph TrapContextList["TrapContextList"]
        OtherTrapContext("..."):::struct
        subgraph TrapContext["TrapContext"]
            x0("x0~x31"):::reg
            ssstatus0("sstatus"):::reg
            sepc0("sepc"):::reg
        end
    end

    %% 管理组件（TaskManager/TASK_MANAGER）
    TaskManager("TaskManager"):::manager
    TASK_MANAGER("TASK_MANAGER"):::manager

    %% 函数（main/__restore）
    main("main"):::func
    __restore("__restore"):::func

    %% 原有连接关系（保持不变，统一应用transition样式）
    TaskManager -->|延迟加载全局唯一实例| TASK_MANAGER:::transition
    main -->|1. load_apps 加载应用代码| Memory:::transition
    main -->|2. run_first_task触发初始化| TASK_MANAGER:::transition
    TASK_MANAGER -.->|初始化| tasks:::transition
    sp0 -.->|__restore使用sp作为参数恢复上下文| __restore:::transition
    sepc0 -.-> M0:::transition
    x0 -.->|sp| US0:::transition
    KS0 -.->|存储了TrapContext| TrapContext:::transition
    ra0 --> __restore:::transition
    sp0 --> KS0:::transition

    %% 优化子图标题样式（统一居中、加粗）
    style USER_STACK fill:#fef2f2, stroke:#fecaca, stroke-width:1px, padding:10px;
    style KERNEL_STACK fill:#fef2f2, stroke:#fecaca, stroke-width:1px, padding:10px;
    style Memory fill:#fffbeb, stroke:#fde047, stroke-width:1px, padding:10px;
    style tasks fill:#ecfccb, stroke:#4ade80, stroke-width:1px, padding:10px;
    style TrapContextList fill:#ecfccb, stroke:#4ade80, stroke-width:1px, padding:10px;

实现

应用加载

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uCore批处理系统

发表于 2025-11-13 更新于 2025-12-14

批处理系统

综述

在本章节中，我们实现一个简单的批处理系统，内核在启动之后，将多个程序打包输入并按顺序执行，而本章节我们会实现以下几个重要逻辑：

通过加载器在启动时动态的加载代码到并执行；
实现错误处理，保证在单个程序出错时不影响其他的程序。这个位置我们会引入一些新的概念，例如 privilege。同时我们也可以看到操作系统和普通的应用程序的区别，例如：操作系统有自己的内核栈，这个栈是完全独立于任何程序的。
操作系统通过trap机制来处理 interruption 和 exception 事件。

---
title: Compiling rCore-test
---
flowchart TB

subgraph desc
    direction TB
    build_system("构建系统"):::purple
    dir("文件夹"):::green
    products("源文件/构建产物"):::animate
end


subgraph 构建过程
    direction LR
    makefile("Makefile"):::purple
    build("build.py"):::purple

    target("target/riscv64gc-unknown-none-elf/release"):::green
    build_dir("build"):::green

    source_code("*.rs"):::animate
    bin("*.bin"):::animate
    elf("*.elf"):::animate
    object("*.object"):::animate


    source_code -->|输入| build -->|编译| object -.->|输出到文件夹| target
    object -->|输入| makefile -->|rust-objcopy| bin -.->|输出到文件夹| target
    object -->|输入| makefile -->|cp| elf -.->|输出到文件夹| target

    bin -->|cp| build_dir
    elf -->|cp| build_dir
end

desc --> 构建过程

classDef pink 0,fill:#FFCCCC,stroke:#333, color: #fff, font-weight:bold;
classDef green fill: #695,color: #fff,font-weight: bold;
classDef purple fill:#968,stroke:#333, font-weight: bold;
classDef error fill:#bbf,stroke:#f65,stroke-width:2px,color:#fff,stroke-dasharray: 5 5
classDef coral fill:#f8f,stroke:#333,stroke-width:4px;
classDef animate stroke-dasharray: 8,5,stroke-dashoffset: 900,animation: dash 25s linear infinite;

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uCore基本执行环境

发表于 2025-11-12 更新于 2025-12-14

项目的全部代码在这里：ardi

整体逻辑图解

我们的项目包含以下文件，各模块功能如下：

*.rs 文件：Rust 源代码文件，定义了程序的核心执行逻辑；
linker.ld：链接脚本（Linker Script），用于告知链接器如何合并目标文件、编排内存布局，最终生成符合要求的二进制文件；
entry.asm：启动引导文件（汇编编写），负责初始化基础执行环境，引导 CPU 定位并跳转到 Rust 程序的入口地址；
rustsbi-qemu.bin ：SBI（Supervisor Binary Interface）固件文件，作为内核与硬件的隔离层 / 抽象层，为内核提供硬件相关的基础服务（详见什么是 SBI）；
Makefile : 构建脚本，通过声明编译目标（target）、依赖关系及执行命令，简化程序的编译、运行、加载等流程管理。

flowchart LR

rustsbi(rustsbi-qemu.bin):::coral
linker("linker.ld"):::green
entry("entry.asm"):::green
rust("*.rs"):::green
qemu("qemu"):::error

cargo("cargo"):::error

linker --> cargo
entry --> cargo
rust --> cargo

cargo --> elf -->|rust-objcopy| binary

subgraph elf
    direction TB
    os_comment("elf格式的二进制文件") -.-> os("os"):::pink
end

subgraph binary
    direction TB
    os_bin_comment("二进制文件") -.-> os_bin("os.bin"):::pink
end

binary --> rustsbi --> qemu

classDef pink 0,fill:#FFCCCC,stroke:#333, color: #fff, font-weight:bold;
classDef green fill: #695,color: #fff,font-weight: bold;
classDef purple fill:#968,stroke:#333, font-weight: bold;
classDef error fill:#bbf,stroke:#f65,stroke-width:2px,color:#fff,stroke-dasharray: 5 5
classDef coral fill:#f8f,stroke:#333,stroke-width:4px;
classDef animate stroke-dasharray: 8,5,stroke-dashoffset: 900,animation: dash 25s linear infinite;

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C99中关于char的一个未定义行为

发表于 2025-11-03 更新于 2025-12-11

前言

最近在学习 RISCV 的过程中，碰见了一个比较奇特的BUG，在下面的代码中，我们出现了一个神秘的未定义行为（Undefined Behavior）：

#include <stdio.h>

void main()
{
    char a;
    unsigned int b;
    unsigned long c;

    a = 0x88;
    b = ~a;
    c = ~a;

    printf("a=0x%x, ~a=0x%x, b=0x%x, c=0x%lx\n", a, ~a, b, c);
}

本来是一段很简单的用于测试C语言下的隐式转换规则的代码，结果很神奇的是在两个不同的平台下出现了截然不同的输出！

x86/x86_64

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不要去解决一个不存在的问题

发表于 2025-10-10 更新于 2025-12-11

最近由于学习 risc-v，需要使用到 gdb 来调试 elf 文件，本来想使用大学期间比较熟悉的 gdbinit 或者 peda。折腾了接近两天时间，修复了各种问题，最后还是失败了。直接切换到 pwndbg 解决全部问题。

回想这两天痛苦的查文档，翻github的issue却从来没有想过时代在变化，大学期间的明星项目peda已经断更五年多了。