Rudroid：打造世界上最糟糕的 Android 模拟器

Rudroid：打造世界上最糟糕的 Android 模拟器

rudroid Rudroid - Writing the World's worst Android Emulator in Rust 🦀 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/ru/rudroid

项目介绍

Rudroid，这或许是有史以来最糟糕的 Android 模拟器之一。在这个项目中，我们将编写一个能够运行 'Hello World' Android ELF 二进制文件的模拟器。在这个过程中，我们将学习如何着手编写自己的模拟器。

编写模拟器是学习系统底层细节的一种绝佳方式，我们假设您已经具备一些 Rust 知识，拥有一台安装了 Rust 的 Linux 机器或者 Docker 环境，以及足够的耐心阅读系统调用、文件格式等相关文档。

项目技术分析

Rudroid 项目涉及以下技术要点：

• Android 操作系统基本架构
• 系统调用及其在 AArch64 中的处理
• 内存映射的工作原理
• 操作系统如何加载 ELF 文件到内存并运行
• 如何模拟操作系统行为以加载 ELF 文件到内存并运行

在深入了解这些技术之前，我们先了解一下 Android 的定义：

Android 是一个开源的、基于 Linux 的软件堆栈，适用于各种设备和形态。以下图表展示了 Android 平台的主要组件。

项目技术应用场景

Rudroid 的核心功能是模拟一个简单的 Android ELF 二进制文件的执行过程，这在学习操作系统底层原理、系统调用处理、内存管理等方面具有很高的教育价值。项目非常适合以下场景：

• 操作系统原理教学
• 系统调用和内存管理实践
• 低级编程技能提升

项目特点

Rudroid 项目具有以下特点：

• 学习性强：通过编写自己的模拟器，可以深入了解操作系统的底层细节。
• 简洁明了：项目专注于实现一个简单的 ELF 文件加载和执行，易于理解和上手。
• 跨平台兼容性：Rudroid 在 Linux 系统上运行，支持 Docker 环境，可以方便地在多种平台上使用。

核心功能：Rudroid

Rudroid 是一个用 Rust 编写的简单 Android 模拟器，能够运行 'Hello World' ELF 二进制文件。

项目介绍

Rudroid 项目的目标是创建一个能够运行基本 Android ELF 文件的模拟器。通过这个过程，我们可以学习和掌握如何编写模拟器，同时深入了解操作系统的底层工作原理。

项目技术分析

Rudroid 项目的技术核心包括：

• 内存管理：模拟器需要实现内存映射、读写操作、权限管理等功能。
• 系统调用接口：模拟器需要处理 ELF 文件中的系统调用，将其转换为宿主机上的操作。
• 文件系统管理：模拟器需要模拟文件系统的基本操作，以支持 ELF 文件的加载。

内核架构

Linux 内核的基本架构包括以下几个核心组件：

• 进程管理
• 设备管理
• 内存管理
• 中断处理
• 块 I/O 通信
• 文件系统管理

对于编写仅运行 Android ELF 二进制文件的模拟器来说，最感兴趣的核心组件是内存管理、文件系统管理、进程管理以及中断处理和系统调用接口。

模拟器的工作原理

模拟器通常包含以下组件：

• 内存管理单元（MMU）
• 指令解释器（解码 -> 转换 -> 执行）
• 信号处理器
• 中断处理器
• 系统调用处理器

模拟器的工作流程通常包括以下步骤：

1. 将目标二进制文件加载到内存中
2. 确定目标二进制文件的指令集架构（ISA）
3. 如果模拟器支持该架构，则初始化 CPU
4. 初始化信号处理器
5. 初始化中断处理器
6. 初始化系统调用处理器
7. 开始 CPU 循环

CPU 循环中的操作包括：

• 从程序计数器获取指令
• 增加程序计数器
• 解码指令
• 将指令从模拟的 ISA 转换为宿主机的 ISA
• 执行转换后的指令
• 处理任何引发的信号或中断
• 继续循环

Rudroid 的架构

Rudroid 的架构相对简单，它是一个二进制文件，实现了 ELF 加载器、内存管理、系统调用接口和文件系统。最终，Rudroid 二进制文件接收一个打印 'Hello World' 到标准输出的 ELF 文件作为命令行参数，并在宿主机上执行它。命令格式如下：

./Rudroid hello_world.elf
hello world

Rudroid 会在 Linux 系统上运行，其架构如下：

ELF 加载过程

在深入 ELF 加载过程的细节之前，我们先简要了解 ELF 文件格式。ELF 文件包含三个主要部分：文件头（Ehdr）、节头（Shdr）和程序头（Phdr）。内核加载 ELF 文件时，主要关注 Ehdr 和 Phdr。Phdr 包含了三种类型的程序头条目：PT_LOAD（可加载段）、PT_INTERP（解释器段）和 PT_GNU_STACK（标志程序堆栈为可执行）。

ELF 加载器首先检查 ELF 文件的合法性，然后遍历程序头条目，查找 PT_LOAD 和 PT_INTERP。对于每个 PT_LOAD 条目，加载器在内存中映射相应的地址范围，并将段内容复制到映射的内存中。如果找到 PT_INTERP，加载器会将其作为另一个 ELF 文件解析并映射到内存中，同时跟踪主 ELF 文件和解释器 ELF 文件的入口点。

为了实现这一过程，我们需要在 Rust 中编写一个 ELF 解析器。我们可以编写自己的 ELF 解析器，也可以使用现有的 xmas-elf 包。

在开始编写 ELF 加载器之前，我们还需要一个内存管理器，因为我们必须将 ELF 映射到内存中，管理堆栈等。下面我们将了解内存管理器的工作原理。

内存管理（MMU）

Linux 内存管理子系统负责管理系统中的内存，包括虚拟内存的实现、内存分配、文件映射等功能。

内存管理器需要实现以下功能：

• 在给定位置或大小上映射内存
• 在给定位置或大小上取消映射内存
• 从内存中读取
• 向内存中写入
• 管理内存权限

内存映射是将地址范围从地址映射到地址 + 大小的过程。我们可以参考 mmap 函数的手册页面这里。

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,
           int fd, off_t offset);

mmap 函数在调用进程的虚拟地址空间中创建一个新的映射。addr 指定新映射的起始地址，length 指定映射的长度。prot 参数指定映射内存的保护标志，如 PROT_EXEC（可执行）、PROT_READ（可读）、PROT_WRITE（可写）和 PROT_NONE（不可访问）。

通过 Rudroid 项目，开发者不仅能够获得关于操作系统底层工作原理的深入理解，还可以提升低级编程技能，为未来的系统级编程工作打下坚实的基础。

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