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2023开源操作系统训练营第三阶段实习任务总结报告-郝淼

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几个核心问题

  1. 目前 ArceOS 已经实现了“线程”组件 axtask，如何利用它转变为进程？
    • 独立的地址空间
  2. 如何保持 unikernel 的特性？
    • 仅保留单一特权级

ArceOS 作为动态链接库

目前成果

在保持 ArceOS 单特权级的情况下，支持一些简单的动态链接程序的二进制兼容：

  • 编写加载器 loader 支持加载动态链接的 ELF
  • 为每个应用创建虚拟地址空间（页表），将其绑定在任务控制块上
  • 每个进程通过任务控制块参与调度，在 switch_to() 时切换地址空间

需要实现的功能

  1. 动态链接的原理：
    • plt 和 got 如何配合工作：
      1. .rela.plt：存储了加载器在动态链接时需要填写的 .got 表项，以及动态链接函数的符号信息，用于索引 .dynsym中的一项：
        1
        2
        #define ELF64_R_SYM(i) ((i) >> 32)
        ELF64_R_SYM(Elf64_Rela.r_info)
      2. .dynsym：可以查找到和动态链接符号的相关属性，以及符号名称（位于 .dynstr）
    • ABI 是如何保持的：函数签名保持一致即可
  2. ArceOS 需要能加载 ELF
  3. 加载时如何填写 .got
  4. ArceOS 的编译脚本需要修改，
    • 编译 axlibc，导出符号表
    • 自身能够读取 libc 的符号表
    • 最好能直接将 libc 映射到一个地址段，所有进程共享

实现路径

  1. mmap()：难度较大，因为目前没有进程，也就没有其对应的地址空间
  2. ELF 解析
  3. 动态链接

日志记录

11 月 23 日

  1. ArceOS 的 axstd 和 axlibc 不能同时链接

    • 如果强制链接的话会出现重复的符号

解决方法：将 rust_libc 和 app 链接在一起，c_libc 再和 rust 代码链接

  • rust loader 可以调用 libc 的函数
  • ArceOS 需要实现 mmap()

11 月 27 日

KISS 原则实现了加载时的动态链接：先不实现 mmap 和 ELF 解析，采用硬编码的方式加载 hello

ELF 解析加载过程：

  1. 读取 Program Headers（在 host 上用 readelf），将其中类型为 LOAD 的 segment 从文件中加载到内存。

11 月 28 日

实现了根据 ELF 头获取需要进行动态链接函数的填充地址和填充值，并进行动态链接。

ELF 解析加载过程：

  1. 获取 ELF 头，找到 section header table
  2. 根据 .shstrtab 找到：
    • .rela.plt：找到外部链接符号
    • .rela.dyn：链接内部符号
    • .dynsym：动态链接符号表
    • .dynstr：动态链接符号名的字符串表
  3. 外部动态链接
    • 用 rela.r_sym() 索引 .dynsym，获取符号项 dynsym
    • 根据 dynsym 判断符号属性，符合动态链接的用 dynsym.st_name 索引 dynstr 获取符号名 func_name
    • 根据符号名查找 loader 初始化时填写的链接表，获取链接虚地址 link_vaddr
    • 将虚地址 rela.r_offset 处的 8 字节填写为 link_vaddr
  4. 内部动态链接
    • rela.r_addend 的值即为链接虚地址 link_vaddr
    • 将虚地址 rela.r_offset 处的 8 字节填写为 link_vaddr

11 月 29 日

根据 ELF 头读取 segment 信息，将其中属性为 LOAD 的段加载到内存。此时对 kernel 而言，hello app 不具有单独的进程（或者线程）属性，而是与 loader 为一体。

在 loader 的 Cargo.toml 开启 axstd 的 multitask 属性，可以正常编译，但内核 panic 退出，信息为 current task is uninitialized，定位到 axtask::task::CurrentTask::get() 函数。显然，在初始化时，已经设置了 current task，这里为何报错？

经过进一步阅读源码，发现 current task 的指针通过 axhal::cpu::current_task_ptr() 获取，而 axtask/multitask 开启了 percpu 功能，也就是说此时的 current task 指针是一个 percpu 变量。目前，ArceOS 中通过 gp 实现 percpu，这与 riscv 的 ABI 是不符的。具体体现为 hello app 一开始就重新加载了 gp，把内核里维护 percpu 的值冲掉了。

因此，为了保持 ABI，我将 percpu 改回了使用 tp 维护（前一个修改的 commit 将 tp 改为 gp）。此时在打开 axstd/multitask 后可以正常退出。

11 月 30 日

  • 实现 axtask::spawn_from_ptr()，专门用于创建从 ELF 加载任务的 TCB
  • 在 riscv 的任务上下文中加入 satp，context_switch() 时同时切换页表
  • 目前实现了动态分配的页表，但未实现进程退出后页的释放

12 月 1 日

通过复用 axhal::paging::PageTable 的接口，实现了完整的页表分配、回收功能，并且修改 TaskInner 结构体，将页表绑定到上面。这样就实现了类似于 rCore 中的 RAII 风格页表。

总结

目前的实现充分利用了 ArceOS 中已经存在的 axlibc 和页表，不足之处：

  • loader 对于 ArceOS 而言也是一个应用程序，但是其中跨层级调用了很多底层接口，不符合 ArceOS 的设计原则
  • 不支持静态链接的 app，即程序中的系统调用指令 目前 ArceOS 无法处理
  • 修改了一些 ArceOS 中的现有模块，使得原有模块的实现发生改变，如利用 gp 保存 percpu 变量，为了验证思路的可行性，将其改为了 tp