2023秋冬季开源操作系统训练营第三阶段 - ArceOS Unikernel 总结报告

ArceOS Unikernel 总结报告

不知不觉，ArceOS Unikernel 课程的学习已经过去了一半。回顾过去这两周，我深感学习过程中的磨砺与成长。感谢石磊老师的细心指导，从基础概念入手，让我们逐渐掌握 Unikernel 的奥秘。谁曾想到，Unikernel 的设计竟如此强大。每次回顾这个过程，我都会重新阅读陈渝老师的著作《像开发应用一样开发操作系统》，从中汲取启示。我对操作系统可以如同应用一般，通过组件化思维实现感到震惊。过去曾听说过鸿蒙分布式部署等新闻，也阅读过一些关于鸿蒙的相关文章，但亲身参与组件化操作系统的学习，完全是不同于以往的体验。

课程总结

第一周练习主要包含以下内容：

• 首先，通过彩色打印 “Hello World” 和支持 Hashmap 数据类型的示例，快速熟悉 ArceOS 架构
• 接着，实现 early 内存分配算法，深入了解 ArceOS 的内存分配流程
• 最后，将协作式调度算法 FIFO 改造为抢占式调度算法，为第一周的学习画上圆满句号

通过本周学习对 ArceOS 的整体架构、内存分配及调度算法有更深入的了解。

进入第二周的练习，主要包含以下内容：

• 首先，需要准备 5 个基本实验环境，分别包括：从外部加载应用、将应用拷贝到执行区域并执行、通过 ABI 调用 ArceOS 功能、在 App 中正式调用 ABI 以及支持内核和应用分离的地址空间及切换。
• 接下来，在上述环境基础上，完成 6 个附加练习，具体如下：
  • 针对第一个环境，探索如何优化加载更多应用
  • 在第二个环境中，研究多应用的批处理方式
  • 针对第三个环境，探讨 ABIs 的 SYS_TERMINATE 功能调用
  • 在第四个环境中，实现内核与应用程序之间的通信，并支持 Hello 功能、打印字符串功能、退出功能
  • 最后，在第五个环境中，探索如何实现内核与应用程序的分离，并将控制权回到 loader，再由 loader 执行下一个应用
• 通过这些练习，将更加深入地了解 ArceOS 系统的运行机制和应用开发技巧。

第二周练习题思路总结

练习 1 和 2 的思路

借鉴 Unix 协议的设计理念，将数据按照如下格式保存在 app.bin 文件中，以便 ArceOS 逐字节读取并采用循环机制顺序加载。

App 数量 | App1 大小 | App1 内容 | App2 大小 | App2 内容 | ... | AppN 大小 | AppN 内容  

通过这种设计，可以方便地管理各个应用程序的尺寸和内容，从而实现应用程序的顺序加载和高效运行。在 ArceOS 读取到相应数据后，可以根据数据内容来调用相应的应用程序。

练习 3 的思路

这道题目相对较为简单，主要需要注意一个小细节 —— noop 指令。在编译过程中，Rust 会提示不通过，原因是 typo，多打了一个 o。

起初，我以为该练习将 nop 指令加在 options(noreturn) 前面，但是运行的时候，程序会卡住半天不返回内核执行下一个应用。后来翻查指令解释资料，将 options(noreturn) 删除，练习 3 便顺利完成。

在这道题中，需要注意 nop 指令的特殊性质，避免使其影响到程序的正常执行。通过细心观察和调整，可以顺利解决这个小问题，进而完成练习 3。

练习 4 的思路

这道题较为简单，只需在 ArceOS 系统中添加 SYS_TERMINATE 系统调用。编写 abi_terminate 函数，并直接调用 axstd::process::exit。接着将此函数通过 register_abi 注册到系统中，并将 abi_num 指向 SYS_TERMINATE，如此便可顺利完成任务。

练习 5 的思路

这道题具有一定难度，非常感谢赫森大佬在群里分享了思路。

主要思路是参考了 rCore 教程中的链接章节，并在应用层引入了 linker.ld 链接汇编。这样做的目的是将字符串从 .rodata 区域读取出来，并将原始在 ArceOS 中的相关指令移动到 hello_app 应用中。为了实现 Hello、打印字符串和退出这三个功能，我将以下指令封装到 abi_call 宏中，使得代码看起来更加简洁明了。

li      a0, {abi_num}
slli    t0, t0, 3
la      t1, {abi_entry}
ld      t1, (t1)
jalr    t1

练习 6 的思路

在完成练习 5 之后，练习 6 就会变得相对容易。主要是基于之前的 hello_app 应用进行改造，仅保留 putchar 函数。

需要注意的是，为了避免让控制权回到 loader 的条件，例如不能进行无限循环等阻塞操作，练习 5 中有一个 wfi 指令用于等待中断。只需将此指令删除，即可顺利完成任务。

以上是对 6 个练习的思路总结，希望能对你有所帮助，祝大家玩得开心 ^_^

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