使用Rust创建裸机可执行程序：从零开始构建操作系统内核

使用Rust创建裸机可执行程序：从零开始构建操作系统内核

blog_os Writing an OS in Rust 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/bl/blog_os

引言

在计算机科学领域，操作系统内核是最基础也最核心的软件组件。传统上，操作系统内核大多使用C语言编写，但Rust语言因其内存安全性和现代特性，正成为系统编程的新选择。本文将详细介绍如何使用Rust创建一个不依赖标准库的裸机可执行程序，这是构建自定义操作系统内核的第一步。

为什么需要裸机可执行程序

裸机可执行程序（freestanding/bare-metal executable）是指不依赖任何操作系统功能的程序。在开发操作系统内核时，我们不能使用任何需要操作系统支持的库或功能，比如：

• 线程和进程管理
• 文件系统操作
• 网络通信
• 堆内存分配
• 标准输入/输出

这是因为我们正在创建的就是操作系统本身，需要从最底层开始构建这些功能。

创建基础Rust项目

首先使用Cargo创建一个新的二进制项目：

cargo new blog_os --bin --edition 2018

这会生成一个基本的Rust项目结构，包含Cargo.toml配置文件和src/main.rs入口文件。

禁用标准库

Rust默认链接标准库(std)，但我们需要使用#![no_std]属性来禁用它：

// src/main.rs
#![no_std]

fn main() {
    println!("Hello, world!"); // 这行会导致错误
}

尝试编译这段代码会失败，因为println!宏属于标准库。我们需要完全移除对标准库的依赖。

处理编译器错误

实现panic处理函数

当禁用标准库后，编译器会提示缺少#[panic_handler]函数。这个函数在程序发生panic时被调用：

use core::panic::PanicInfo;

#[panic_handler]
fn panic(_info: &PanicInfo) -> ! {
    loop {}
}

PanicInfo参数包含panic发生的文件和行号等信息。函数返回!类型表示这是一个发散函数（不会返回）。

禁用栈展开

Rust默认在panic时进行栈展开（stack unwinding），这需要操作系统的支持。我们可以配置Cargo在panic时直接终止程序：

# Cargo.toml
[profile.dev]
panic = "abort"

[profile.release]
panic = "abort"

这样就不需要实现eh_personality语言项了。

定义程序入口点

在标准Rust程序中，执行从C运行时(crt0)开始，然后调用Rust运行时的入口点，最后才到main函数。在裸机环境中，我们需要直接定义入口点：

#![no_std]
#![no_main]  // 告诉编译器我们不使用标准入口链

#[no_mangle]  // 防止名称修饰
pub extern "C" fn _start() -> ! {
    loop {}
}

关键点：

1. #[no_mangle]确保函数名在编译后保持不变
2. extern "C"指定使用C调用约定
3. _start是大多数系统的默认入口点名称
4. !返回类型表示函数不会返回

解决链接器错误

编译上述代码会产生链接器错误，因为链接器默认假设程序依赖C运行时。有两种解决方案：

方法1：为裸机目标编译

我们可以为没有操作系统的目标平台编译，例如ARM嵌入式系统：

rustup target add thumbv7em-none-eabihf
cargo build --target thumbv7em-none-eabihf

"none"表示没有操作系统，这样就避免了链接C运行时的需求。

方法2：自定义链接器参数（可选）

对于不同操作系统，可以通过传递特定链接器参数来解决：

• Linux：需要告诉链接器不包含C运行时
• Windows：需要设置特定的子系统选项
• macOS：需要调整链接器命令

不过对于操作系统开发，第一种方法更为合适。

Rust在裸机编程中的优势

即使在裸机环境中，Rust仍然提供了许多强大功能：

1. 模式匹配：安全地处理不同情况
2. Option和Result：明确处理可能失败的操作
3. 迭代器：提供高级抽象而不影响性能
4. 所有权系统：保证内存安全，避免常见错误
5. 闭包：创建简洁的抽象

这些特性使得用Rust编写内核既安全又富有表达力。

总结

创建一个裸机Rust可执行程序的基本步骤：

1. 使用#![no_std]禁用标准库
2. 实现自定义#[panic_handler]
3. 在Cargo.toml中配置panic策略为"abort"
4. 使用#![no_main]和自定义_start入口点
5. 为裸机目标平台编译（如thumbv7em-none-eabihf）

这样我们就得到了一个不依赖任何操作系统的Rust程序，为后续开发操作系统内核奠定了基础。在下一阶段，我们将探索如何为x86_64架构创建自定义目标，并开始与硬件直接交互。

通过这种方式，Rust为我们提供了一个既安全又强大的工具来构建操作系统内核，避免了传统系统编程语言中的许多常见陷阱。

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