添加 axruntime 组件提供更完整的运行环境

之所以将 helloworld 的 main 函数和 axhal 组合起来就能实现输出功能，是因为 helloworld 应用程序只用到了 axhal 提供的裸机输出功能，如果我们需要支持更复杂的应用，axhal 提供的低级的裸机环境肯定不能满足我们的需求，那么就需要用到 axruntime 这个更强大的组件了。

axruntime 的主要功能是在进入应用程序的 main 函数之前执行一些初始化操作，根据所选择的不同 feature 执行相对应的初始化过程。

graph TD
helloworld --> axruntime --> axhal

在这一节中我们直接使用 ArceOS 的源代码，将之前修改的代码还原，在 axhal 执行完后不是直接跳转到应用程序的 main 函数，而是跳转到 axruntime 这个组件的 rust_main 函数，再跳转到 helloworld 的 main 函数。

动手尝试

运行命令：

make PLATFORM=riscv64-qemu-virt A=apps/helloworld run LOG=debug

运行结果如下图，下面的调试输出信息绿色字体部分可以为我们直观地展示 axruntime 做的一些初始化的工作。

有了这三个组件，我们不仅能运行 helloworld 这样的简单程序，还能运行稍微复杂一些的程序。

例如，运行 yield 应用程序 (FIFO scheduler):

make A=apps/task/yield PLATFORM=riscv64-qemu-virt LOG=info NET=y SMP=1 run

运行结果:

运行过程分析

让我们通过流程图看看 ArceOS 的运行背后到底发生了什么。

第一步是一些初始化函数的调用过程。

Step 1

graph TD;
    A[axhal::platform::qemu_virt_riscv::boot.rs::_boot] --> init_boot_page_table;
    A --> init_mmu;
    A --> P[platform_init];
    A --> B[axruntime::rust_main];
    P --> P1["axhal::mem::clear_bss()"];
    P --> P2["axhal::arch::riscv::set_trap_vector_base()"];
    P --> P3["axhal::cpu::init_percpu()"];
    P --> P4["axhal::platform::qemu_virt_riscv::irq.rs::init()"];
    P --> P5["axhal::platform::qemu_virt_riscv::time.rs::init()"];
    B --> axlog::init;
    B --> D[init_allocator];
    B --> remap_kernel_memory;
    B --> axtask::init_scheduler;
    B --> axdriver::init_drivers;
    B --> Q[axfs::init_filesystems];
    B --> axnet::init_network;
    B --> axdisplay::init_display;
    B --> init_interrupt;
    B --> mp::start_secondary_cpus;
    B --> C[main];
    Q --> Q1["disk=axfs::dev::Disk::new()"];
    Q --> Q2["axfs::root::init_rootfs(disk)"];
    Q2 --fatfs--> Q21["main_fs=axfs::fs::fatfs::FatFileSystem::new()"];
    Q2 --> Q22["MAIN_FS.init_by(main_fs); MAIN_FS.init()"];
    Q2 --> Q23["root_dir = RootDirectory::new(MAIN_FS)"];
    Q2 --devfs--> Q24["axfs_devfs::DeviceFileSystem::new()"];
    Q2 --devfs--> Q25["devfs.add(null, zero, bar)"];
    Q2 -->Q26["root_dir.mount(devfs)"];
    Q2 -->Q27["init ROOT_DIR, CURRENT_DIR"];
    D --> E["In free memory_regions: axalloc::global_init"];
    D --> F["In free memory_regions:  axalloc::global_add_memory"];
    E --> G[axalloc::GLOBAL_ALLOCATOR.init];
    F --> H[axalloc::GLOBAL_ALLOCATOR.add_memory];
    G --> I["PAGE: self.palloc.lock().init"];
    G --> J["BYTE: self.balloc.lock().init"];
    H --> K["BYTE: self.balloc.lock().add_memory"];
    I --> M["allocator::bitmap::BitmapPageAllocator::init()"];
    J -->L["allocator::slab::SlabByteAllocator::init() self.inner = unsafe { Some(Heap::new(start, size)) } "];
    K --> N["allocator::slab::SlabByteAllocator::add_memory:  self.inner_mut().add_memory(start, size);"];

下面是 helloworld 程序的运行流程，实际上 helloworld 程序最后调用的是 axhal 封装好的输出功能，本质还是依靠 sbi 进行输出。

Step 2

graph TD;
    A[main] --> B["libax::println!(Hello, world!)"];
    B --> C[libax:io::__print_impl];
    C --> D[INLINE_LOCK=Mutex::new];
    C --> _guard=INLINE_LOCK.lock;
    C --> E["stdout().write_fmt(args)"];

step 2.1

graph TD;
    T["stdout()"] --> A["libax::io::stdio.rs::stdout()"];
    A --> B["INSTANCE: Mutex<StdoutRaw> = Mutex::new(StdoutRaw)"];
    A --> C["return Stdout { inner: &INSTANCE }"];

step 2.2

graph TD;
    T["stdout().write_fmt(args)"] --> A["Stdout::write"];
    A --> B["self.inner.lock().write(buf)"];
    B --> C["StdoutRaw::write"];
    C --> D["axhal::console::write_bytes(buf);"];
    C --> E["Ok(buf.len())"];
    D --> F["putchar"];
    F --> G["axhal::platform::qemu_virt_riscv::console::putchar"];
    G --> H["sbi_rt::legacy::console_putchar"];

总结

至此，我们已经完成了从 axhal 到 axruntime 到 helloworld 的组合了，并且将 helloworld unikernel 运行了起来。

附录

axruntime 模块简介：
模块源码位置：modules/axruntime
- 功能描述：在进入应用程序的 main 函数之前执行一些初始化操作，根据所选择的 feature 执行相对应的初始化过程。
流程图来源：
- step 1 init
- step 2 helloworld

ArceOS Tutorial Book