rcore第二阶段

rcore的五个实验，捋清楚代码，就比较好做。这是我第一次捋这么多代码量的项目，学到了很多。以下几点是我理解并做出实验的心得。

1. 不需要全部细节搞懂。理解调用过程并不需要关注所有细节。
2. 先提出问题，再去找答案。可以用gpt辅助提问题。
3. debug其实后面用的都少了，多用log。
4. 关注层次，有些理解不了就是站的角度不对，从内核视角看，从用户视角看，从文件系统各个层次看，等等，可以切换视角来整体性的把握代码。
5. 有些是代码写出来是方便查看，但并不一定有啥功能上的作用。所以有些地方不用太纠结。
6. 画图！只要你能画出内存、追踪寄存器、理解调用过程，那其实内核没啥难的，每一步都是可以追踪的。多画图让自己可视化的把握这整个过程。尤其是ch8那个死锁算法，我自己画图，把整个过程都画一遍，案例自己走了一遍，那就很清晰了。
7. 读代码不要线性读过去。可以让gpt梳理流程再读。同时可以一个变量一个变量追踪，上来全部看会云里雾里的。
8. 个人感觉makefile和一些rust嵌入式可以搜索b站相关资料学习一下。有这两个基本技能就能先对内核代码是怎么生成的、为啥是内核、怎么写的，有个框架性的把握。
9. 不需要让自己了解很多前置知识才能开始，盯着具体问题去思考补啥知识。
10. 对于每个题目，印象最深的就是多体会案例吧，毕竟是练习用的，很多情况不考虑的。
11. 文档第一遍应该是略看，大概知道一下知识，最重要的是自己捋代码。
12. 印象最深的是死锁那里，没有drop导致多重借用了。

arceos第三阶段

1. 一开始不理解feature怎么传递的，感觉搞不懂了，心态爆炸。但是往后做就理解了，em所以前期真的不用纠结太多我觉得。
2. arceos这里在toml里面一堆文档阿，先看这个会有更宏观的把握。
3. 最难的感觉就是开始，了解了re-export这个机制，重新认识了一下rust的项目管理，之后就没啥了。
4. 这里印象最深的是文件系统和对齐，前者再让我体会了lsp机制不完善吧，然后通过条件编译管理以达到组件化的效果也是学到了，我看大多数都会有一个接口或者一个默认的实现，然后再用条件编译来管理不同的实现，估计第四阶段会进一步用到吧。

这是rcore训练营前三个阶段的总结报告。

做实验的过程中有写一些笔记，不过是写给自己看的，行文有些杂乱：rcore-notes，arceos-notes。

在群里看到有人分享rcore训练营的消息，然后在rcore开营启动会那天加入了进来。对os的很多概念一直只能靠想象，没有代码级的理解，通过这次训练营，学到了非常非常多。以前尝试去看过《一个64位操作系统的设计与实现》这本书，但是这本书并无过多讲解，并不适合入门os代码，读不动。现在有了训练营的基础，后面有时间再试试。

训练营的内容大部分时间是读代码，完成练习所需写的代码量并不大。训练营准备了详尽的文档与指导书，并已经准备好了构建脚本，能非常顺利地上手开始学习os。

此外，这次训练营学习还连带着学习了rust，之前听说过rust和其它语言在思维上有些不同，不过实际接触下来感觉还好，还是和c++很相似的，只是有个所有权的机制很特别。rust吸收并处理了c++的一些好的概念与不足(移动语义，没有包管理器等等)，有Cargo这一点比c++方便多了。

第一阶段

学习rust基础，做rustlings的练习。

这个比较基础，我是看了下rust的菜鸟教程学rust，然后做的过程中不知道的问chatgpt就行。

第二阶段

学习rcore指导书并完成5个实验。

rcore指导书的质量非常高，前几章基础的代码需要仔细阅读理解，这样就能知道基础的执行流程。

前面的章节把一些代码(比如那几个汇编写的函数)交给chatgpt解读非常方便。后面的章节效果要差一些，有些主要起个提示作用。

第三阶段

学习arceos并完成6个练习。

原本以为第三阶段是第二阶段的递进，会去学习M态的rustabi什么的，但是实际第三阶段的arceos是和rcore指导书平级的，相当于是另一种设计思路下实现的os。

有了第二阶段rcore指导书的基础，第三阶段问题不大。

总结

训练营的质量非常高，特别是考虑到了对学生的教学，文档和工程都很齐全，rcore指导书的质量非常高。学习到了很多。

感谢清华大学的老师们开放的课程，以及助教，群友等的答疑。

一阶段

总结

第一阶段主要是rustling，只需要应用Rust本身的设计理念来满足测试要求。整体难度不大，理解起来也比较顺利。

难点

相比于语言本身，算法部分的挑战更大。虽然按照要求可以找到相应算法的描述，照着实现基本能完成任务，但有两个方面：

1. 同类算法的取舍：平均复杂度同为O(n)的两种算法，在同一实际场景中的表现不同，我并不了解这些算法的最佳适用区间。
2. 不同实现的差异：同一个算法，采用不同的数据结构实现，所需的时间和空间开销也会不同。

   二阶段

   总结

   第二阶段主要是对操作系统的认识。每个实验大致分为三步：
3. 阅读相关材料，了解操作系统的相关知识；
4. 梳理实验中涉及的类与函数的层级结构及其功能；
5. 编写实验代码，完成具体实现。
   整体过程也比较顺利。

   难点

   二阶段对文件相关内容印象最深，文件系统这个从纯指针一步一步抽象到文件的过程，通过多个层级的抽象来提供简单的交互，通过各种锁和标记来管理权限和控制并发，让我对C的便利性、内存管理有了更深刻的理解。

   三阶段

   总结

   三阶段有些难度，主要侧重于基于unikernel的模块化内核，不像二阶段那样深入去看代码，这就导致有些实验，虽然我知道应该怎么做，但是不知道我需要的函数在哪里，这也跟vscode工具不熟练有关；有的实验，我虽然知道怎么做，但是实现的位置不对，导致与其他实验冲突。

   难点

6. 在rename里，由于入口时fs.root.rename，而在dirnode里只能通过parent查找父节点，通过children查找子节点，造成了根节点的识别与文件查找的差异，之后再看到rename的标注，仅能在同一mountpoint的文件系统内使用，才明白实验的ramfs就是在/tmp下，就是这么设计的。
7. 挑战题没有过线，tlsf实现后达到162。本来的计划是先实现一次tlsf，再优化。但是tlsf实现的工程量超出预期，本身的代码量就有很多，还有很多debug用的log和test，应该是我抽象的层级不够。

   未尽

8. 找到更好的代码分析方法，更好地梳理函数调用
9. 使用debug mode，目前都是通过log调试
10. 完成挑战题，重新设计一个内存分配方法
11. 最后两个视频未完成

偶然有天看到 Rust 中文社区的公众号转发了一个开源 OS 训练营的消息，点进去一看原来是 rCore，早就听过 rCore 这个项目，但一直没来得及学习，自己也对 Rust 在嵌入式开发和内核中的应用很感兴趣，于是转发到群里忽悠了几个朋友一起组团参加

2025春夏季开源操作系统训练营学习总结

2025春夏季我参加了开源操作系统训练营，前三阶段主要是学习了rust语言，并在其两个项目rCore和arceOS中进行实践，下面是我的学习总结。

作为二战选手，上次秋冬训练营止步于第四阶段，之后痛定思痛恶补了一下CSAPP还有RUST圣经，操作系统等这种基础课，还猛猛的参加了Rust训练营，今年磨拳擦掌卷土重来⸜( •ᴗ• )⸝

第一阶段

第一阶段属于是轻车熟路了，通过链表的编写更深刻的理解了Rust的裸指针和智能指针，感慨学无止境，同时也在读张汉东老师的Rust编程之道，后面死灵书等一系列内容都在排队等着学习，对语言的探索多深都不为过。

第二阶段

上一届对于汇编ld文件makefile文件这种东西稀里糊涂，经过过年前后的闭关，把这些知识都补起来了，为了更了解RISCV都汇编指令，通关了傲来训练营的一二三阶段，又自己学习了RISC-V体系结构编程与实践，现在ld文件也看得懂了，makefile也能自己改了，汇编和高级语言之间的调用也知道咋回事了，剩下的就是确定范围和补全逻辑了，有了上一次的经验，这回对从批处理，到进程再到线程的进化有了更深的体会。

第三阶段

第三阶段，上一届前进到写完hashmap因为别的事情就没有继续了，这回有时间慢慢来，一层一层弄清楚调用关系，感受何为模块化操作系统。不过仅是对功能的修改觉得不够尽兴，我也自己拉了一个repo写一个自己的操作系统玩一玩。

阶段一

这一阶段是rustlings刷题，主要是对rust的学习，我接触Rust有一段时间了，Rustlings之前刷过两遍，对我来说还是比较轻松的。

阶段二

这一阶段是rcore的练习，涉及到很多计算机底层软硬件的知识，收获很多。

1. 1～3章

1. 对与程序的内存布局，代码段，数据段，堆，栈，有了更加深刻的认识，学习了高级语言如何与汇编语言进行交互，以及对程序编译链接过程有了的进一步认识
2. 对中断机制有了进一步的了解，学习了中断的处理流程，以及如何在中断处理中保存和恢复寄存器的值
3. 学习了如何在Rust中嵌入汇编语言，以及如何在Rust中调用C语言函数。
4. 学习了CPU硬件特权级的概念，以及如何切换特权级
5. 学习了处理机调度的概念，中断处理流程，以及如何实现基于时间片的的任务切换

2. 第4章

第四章是我花了最多时间的一章，以前对操作系统的内存管理仅仅停留在课本的知识，这一章让我对操作系统的内存管理有了更加深入的了解。

1. 学习SV39的页表结构，对逻辑地址和物理地址的转换有了更加深入的了解，尤其是加深了对逻辑地址，物理地址，页表项，页内偏移量的理解
2. 学习地址空间的切换，以及如何在切换地址空间时保存和恢复寄存器的值，确保操作系统和用户态程序能够正常运行。
3. 学习了操作系统如何管理物理内存，以及如何在物理内存中分配和回收内存。
4. 学习地址空间映射，了解和恒等映射，之前一直在纠结如何保证再开启虚拟内存后操作系统的正确运行。

3. 第5章

第五章是进程管理的章节，主要是学习了进程管理的相关知识，包括进程的创建，退出，等待，以及进程的调度，对进程的概念比较熟悉。

4. 第6章

第六章是文件系统的章节，主要是学习了文件系统的相关知识，包括文件系统的概念，文件系统的实现，以及文件系统的接口。

5. 第7～8章

学习了进程rCore的并发机制，包括信号量，锁，条件变量等概念，以及如何在rCore中实现这些机制。对银行家算法中的资源有了更加深入的了解。

阶段三

第三阶段是对arceos的学习，对组件化OS的设计有了宏观的认识，从unikernel到宏内核再到Hypervisor。相比于rCore，arceos的项目组织更加清晰，代码更加模块化，也更加易于理解。
让我印象最为深刻的是Hypervisor的实现，我之前对Hypervisor的理解是模拟计算机硬件，然后客户机在这些虚拟硬件中执行，对于硬件虚拟化的认识是比较浅的。

总结

这次操作系统训练营是一次非常有收获的经历。

rCore 2025 spring blog

第一阶段

• 这一阶段主要就是了解学习Rust的语法和特性,以及完成所有的rustlings题目, 以及实现一些基础的数据结构和算法, 为之后的项目内容做准备.
• 由于我之前是写Go的并没有接触过Rust，第一阶段以至于后续阶段的编码过程的感觉都非常割裂。

第二阶段

• 第二阶段由多个小lab组成，个人感觉是有一些lab比第三阶段的lab更难，测试用例也更多，每次做都得看看实验指导书才敢下手，也是提前开始做阶段二后面的进度才能赶上来。

第三阶段

• 第三阶段跟着ppt和自己的os理解在慢慢探索，如果没有给出提示我可能要花费两倍的时间才能写完，最后也是瞎摸索完成了阶段三，感觉对操作系统的理解又进了一步的感觉，但还需要持续学习。

前言

本人是大三的计科专业学生，上学期学习了操作系统，颇有兴趣，这学期听说了 opencamp os 训练营，就来深入学习一下。本文是我在完成前三阶段任务后的阶段性总结，主要回顾这一个月的学习历程，并对知识进行整理与查漏补缺。

• rust
  本人在参加训练营之前在 rust 语言上是 0 基础。我花了一周的时间学习了基本语法和特性，并通过了 Rust 编程的阶段。虽然如此，但我对 rust 的掌握还不是很深刻。
  在做 rCore 和 ArceOS 的过程中也会遇到很多语言上的困难，只能走一步看一步，一边完成 os 的编程任务，一边补充对 rust 的理解。
• rCore
  在上学期学习操作系统期间已经了解到有 rCore 这个练习项目，并粗略的看过 《rCore-Tutorial-Book 第三版》的前两章节，只是有了一个大概的了解。这个学期参加了训练营，希望通过学习 rCore 提升工程能力与对 os 的理解。大概花了两周多的时间完成了 rCore-Camp-2025S，期间在内存管理的部分花费了比较多的精力，重点是对多级页表和内核空间与用户空间的理解。在完成了 rCore-Camp-2025S 后，虽不能说对 rCore 了如指掌，但我已掌握了 os 设计的基本思想，当然仍有很多细节上的问题我没有搞清楚的，未来还需要下功夫。
• ArceOS
  这一阶段着重于组件化操作系统的设计与实现，从 Unikernel 模型逐步过渡到宏内核，再进一步到 Hypervisor 架构，核心在于基于组件构造内核。
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第二阶段总结

见 2025spring-rust-based-os-comp-stage2-report-loichyan．

主要收获

抢占式内核任务

在前文中，构思了一种单内核栈的思路．但如果需要实现抢占式内核任务，仅凭单个内核栈是无法做到的——当某个内核任务被打断，需要保存完整的上下文，包括整个执行栈．因此，需要在单内核栈的基础上，增加动态分配的内核栈^1．具体而言，

1. 每个任务启动时从内核栈池中领取一个内核栈；
2. 如果该任务正常结束，归还内核栈；
3. 否则，该内核任务被打断（通常是时间片耗尽），将内核栈与上下文一并保存．

这样便能按需使用多内核栈，以最大化利用单核栈带来的优势．

Rust 无栈协程模型

在 Rust 的异步模型中，编译器将每个异步函数转换为一个状态机^2，从而避免了任务挂起时对执行栈的保存（虽然加重了编译器的负担）．因此，Rust 无栈协程模型天然地适用于单内核栈的系统：

• 多内核栈系统中，通过 IRQ^3 (Interrupt ReQuest) 机制等待 I/O 操作时，可以主动放弃执行权从而挂起当前任务，此时需要保存整个执行栈；
• 而在单内核栈系统中，通过 IRQ 机制实现异步 I/O，await I/O 操作时，只需将当前任务加入 Executor 的等待队列即可．

Thread-per-core 模型

在多核环境中，为了保证数据一致性，原子数据结构（如 Arc、Atomic* 等）和同步锁（如 Mutex、RwLock 等）是必不可少的．但除了文件系统读写等任务必须加锁以外，大部分任务都是在单核上处理的，此时对原子计数和同步原语的频繁读写就成了额外的负担．并且，主流异步运行时（如 Tokio、async-std 等）默认要求 Future 多线程安全，这使得编写异步函数没那么“愉快”，也是 Rust 异步体验被广为诟病的一点^4．Thread-per-core 模型^5便因此有了不少拥趸，例如 Glommio^6 是一个适用于 Linux 的 Thread-per-core 框架，它是以 io_uring^7 为基础构建的．

之所以 Tokio 等运行时要求 Future 多线程安全，是因为它们使用了工作窃取的调度算法^8，即在线程 A 创建的任务可能被线程 B “偷走”来减少线程空闲．Linux 的任务调度算法也使用了工作窃取^9．Thread-per-core 和工作窃取模型各有优劣^5：

• Thread-per-core 中，绝大部分数据结构都不必是线程安全的，避免了多线程同步带来的开销，同时也使得编写异步函数更为简便；
• Thread-per-core 中，任务基本上都是在单个 CPU 核心是执行的，减少了执行环境变更导致的高速缓存丢失；
• 工作窃取中，空闲线程从忙碌线程中窃取任务，从而使得各核心之间负载均衡，能最大化利用多核资源；
• 在实际应用场景中，通常不容易彻底区分 CPU 密集型和 I/O 密集型任务，因此工作窃取适用面更广泛．

此外，从 Glommio 的介绍^6中不难看出，它很大程度上依赖于各任务之间的相互协作，即理想情况下，任务需要周期地归还执行权，来使得权重更高的任务优先执行．并且，在 Thread-per-core 模型中，为了充分利用各核心的执行资源，需要将 CPU 密集型和 I/O 密集型任务细致地划分给不同的核心，这无疑给开发维护带来了额外的心智负担．从这个角度来看，Thread-per-core 和工作窃取又分别类似于内核的协作式任务调度^10和抢占式任务调度^11．前两者和后两者的不同之处在于：

• 内核的任务调度算法主要面向于用户任务，它们所需要的资源通常是未知的，并且都希望能独占资源；
• 而同一个应用程序中（内核本身也可以视为一个复杂的应用程序），各任务所需的资源通常有一个预期，因此，在理论上，通过最细致地划分可以让整个应用达到极致的性能．

不过，综合考量各方面因素，还是工作窃取更适用，也更容易实现 :)

总结

以上便是第三阶段的主要收获，接下来需要进一步研究 IRQ 机制与 Rust 异步的集成，以及 io_uring 模型的实现和应用，最终达成对 ArceOS 内核的异步化改造．