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初识内核对象

内核对象简介

在动手编写我们的代码之前，需要首先进行调研和学习，对目标对象有一个全面系统的了解。 而了解一个项目设计的最好方式就是阅读官方提供的手册和文档。

让我们先来阅读一下 Fuchsia 官方文档：内核对象。这个链接是社区翻译的中文版，已经有些年头了。如果读者能够科学上网，推荐直接阅读官方英文版。

通过阅读文档，我们了解到与内核对象相关的三个重要概念：对象（Object），句柄（Handle），权限（Rights）。它们在 Zircon 内核中的角色和关系如下图所示：

简单来说：

  • Zircon是一个基于对象的内核，内核资源被抽象封装在不同的 对象 中。
  • 用户程序通过 句柄 与内核交互。句柄是对某一对象的引用，并且附加了特定的 权限。
  • 对象通过 引用计数 管理生命周期。对于大多数对象，当指向它的最后一个句柄关闭时，对象随之销毁，或进入无法挽回的最终状态。

此外在内核对象的文档中，还列举了一些常用对象。点击链接进去就能查看到这个对象的具体描述，在页面最下方还列举了与这个对象相关的全部系统调用。 进一步查看系统调用的 API 定义，以及它的行为描述，我们就能更深入地了解用户程序操作内核对象的一些细节：

  • 创建：每一种内核对象都存在一个系统调用来创建它，例如 zx_channel_create。 创建对象时一般需要传入一个参数选项 options，若创建成功则内核会将一个新句柄写入用户指定的内存中。

  • 使用：获得对象句柄后可以通过若干系统调用对它进行操作，例如 zx_channel_write。 这类系统调用一般需要传入句柄 handle 作为第一个参数，内核首先对其进行检查，如果句柄非法或者对象类型与系统调用不匹配就会报错。 接下来内核会检查句柄的权限是否满足操作的要求，例如 write 操作一般要求句柄具有 WRITE 权限，如果权限不满足就会继续报错。

  • 关闭：当用户程序不再使用对象时，会调用 zx_handle_close 关闭句柄。当用户进程退出时，仍处于打开状态的句柄也都会自动关闭。

我们还发现，有一类 Object 系统调用是对所有内核对象都适用的。 这表明所有内核对象都有一些公共属性，例如 ID、名称等等。每一种内核对象也会有自己特有的属性。

其中一些 Object 系统调用和信号相关。Zircon 每个内核对象都附带有 32 个 信号（Signals），它们代表了不同类型的事件。 与传统 Unix 系统的信号不同，它不能异步地打断用户程序运行，而只能由用户程序主动地阻塞等待在某个对象的某些信号上面。 信号是 Zircon 内核中很重要的机制，不过这部分在前期不会涉及，我们留到第五章再具体实现。

以上我们了解了 Zircon 内核对象的相关概念和使用方式。接下来在这一节中，我们将用 Rust 实现内核对象的基本框架，以方便后续快速实现各种具体类型的内核对象。 从传统面向对象语言的视角看，我们只是在实现一个基类。但由于 Rust 语言模型的限制，这件事情需要用到一些特殊的技巧。

建立项目

首先我们需要安装 Rust 工具链。在 Linux 或 macOS 系统下，只需要用一个命令下载安装 rustup 即可：

$ curl https://sh.rustup.rs -sSf | sh

具体安装方法可以参考官方文档。

接下来我们用 cargo 创建一个 Rust 库项目：

$ cargo new --lib zcore
$ cd zcore

我们将在这个 crate 中实现所有的内核对象，以库（lib）而不是可执行文件（bin）的形式组织代码，后面我们会依赖单元测试保证代码的正确性。

由于我们会用到一些不稳定（unstable）的语言特性，需要使用 nightly 版本的工具链。在项目根目录下创建一个 rust-toolchain 文件，指明使用的工具链版本：

{{#include ../../zcore/rust-toolchain}}

这个程序库目前是在你的 Linux 或 macOS 上运行，但有朝一日它会成为一个真正的 OS 在裸机上运行。 为此我们需要移除对标准库的依赖，使其成为一个不依赖当前 OS 功能的库。在 lib.rs 的第一行添加声明：

// src/lib.rs
#![no_std]
extern crate alloc;

现在我们可以尝试运行一下自带的单元测试，编译器可能会自动下载并安装工具链：

$ cargo test
    Finished test [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.52s
     Running target/debug/deps/zcore-dc6d43637bc5df7a

running 1 test
test tests::it_works ... ok

test result: ok. 1 passed; 0 failed; 0 ignored; 0 measured; 0 filtered out

实现 KernelObject 接口

所有的内核对象有一系列共同的属性和方法，我们称这些方法为对象的公共接口（Interface）。 同一种方法在不同类型的对象中可能会有不同的行为，在面向对象语言中我们称其为多态（Polymorphism）。

Rust 是一门部分面向对象的语言，我们通常用它的 trait 实现接口和多态。

首先创建一个 KernelObject trait 作为内核对象的公共接口：

use alloc::string::String;
// src/object/mod.rs
/// 内核对象公共接口
pub trait KernelObject: Send + Sync {
{{#include ../../zcore/src/object/mod.rs:object}}

{{#include ../../zcore/src/object/mod.rs:koid}}

这里的 Send + Sync 是一个约束所有 KernelObject 都要满足的前提条件，即它必须是一个并发对象。 所谓并发对象指的是可以安全地被多线程共享访问。事实上我们的内核本身就是一个共享地址空间的多线程程序，在裸机上每个 CPU 核都可以被视为一个并发执行的线程。 由于内核对象可能被多个线程同时访问，因此它必须是并发对象。

实现一个空对象

接下来我们实现一个最简单的空对象 DummyObject，并为它实现 KernelObject 接口：

// src/object/object.rs
{{#include ../../zcore/src/object/object_v1.rs:dummy_def}}

这里我们采用一种内部可变性的设计模式：将对象的所有可变的部分封装到一个内部对象 DummyObjectInner 中，并在原对象中用自旋锁 Mutex 把它包起来，剩下的其它字段都是不可变的。 Mutex 会用最简单的方式帮我们处理好并发访问问题：如果有其他人正在访问，我就在这里死等。 数据被 Mutex 包起来之后需要首先使用 lock() 拿到锁之后才能访问。此时并发访问已经安全，因此被包起来的结构自动具有了 Send + Sync 特性。

使用自旋锁引入了新的依赖库 spin ，需要在 Cargo.toml 中加入以下声明：

[dependencies]
{{#include ../../zcore/Cargo.toml:spin}}

然后我们为新对象实现构造函数：

// src/object/object.rs
{{#include ../../zcore/src/object/object_v1.rs:dummy_new}}

根据文档描述，每个内核对象都有唯一的 ID。为此我们需要实现一个全局的 ID 分配方法。这里采用的方法是用一个静态变量存放下一个待分配 ID 值，每次分配就原子地 +1。 ID 类型使用 u64，保证了数值空间足够大，在有生之年都不用担心溢出问题。在 Zircon 中 ID 从 1024 开始分配，1024 以下保留作内核内部使用。

另外注意这里 new 函数返回类型不是 Self 而是 Arc<Self>，这是为了以后方便而做的统一约定。

最后我们为它实现 KernelObject 接口：

// src/object/object.rs
{{#include ../../zcore/src/object/object_v1.rs:dummy_impl}}

到此为止，我们已经迈出了万里长征第一步，实现了一个最简单的功能。有实现，就要有测试！即使最简单的代码也要保证它的行为符合我们预期。 只有对现有代码进行充分测试，在未来做添加和修改的时候，我们才有信心不会把事情搞砸。俗话讲"万丈高楼平地起"，把地基打好才能盖摩天大楼。

为了证明上面代码的正确性，我们写一个简单的单元测试，替换掉自带的 it_works 函数：

// src/object/object.rs
{{#include ../../zcore/src/object/object_v1.rs:dummy_test}}
$ cargo test
    Finished test [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.53s
     Running target/debug/deps/zcore-ae1be84852989b13

running 1 test
test tests::dummy_object ... ok

大功告成！让我们用 cargo fmt 命令格式化一下代码，然后记得 git commit 及时保存进展。

实现接口到具体类型的向下转换

在系统调用中，用户进程会传入一个内核对象的句柄，然后内核会根据系统调用的类型，尝试将其转换成特定类型的对象。 于是这里产生了一个很重要的需求：将接口 Arc<dyn KernelObject> 转换成具体类型的结构 Arc<T> where T: KernelObject。 这种操作在面向对象语言中称为向下转换（downcast）。

在大部分编程语言中，向下转换都是一件非常轻松的事情。例如在 C/C++ 中，我们可以这样写：

struct KernelObject {...};
struct DummyObject: KernelObject {...};

KernelObject *base = ...;
// C 风格：强制类型转换
DummyObject *dummy = (DummyObject*)(base);
// C++ 风格：动态类型转换
DummyObject *dummy = dynamic_cast<DummyObject*>(base);

但在 Rust 中，由于其 trait 模型的限制，向下转换并不是一件容易的事情。 虽然标准库中提供了 Any trait，部分实现了动态类型的功能，但实际操作起来却困难重重。 不信邪的同学可以自己折腾一下：

# use std::any::Any;
# use std::sync::Arc;
# fn main() {}

trait KernelObject: Any + Send + Sync {}
fn downcast_v1<T: KernelObject>(object: Arc<dyn KernelObject>) -> Arc<T> {
    object.downcast::<T>().unwrap()
}
fn downcast_v2<T: KernelObject>(object: Arc<dyn KernelObject>) -> Arc<T> {
    let object: Arc<dyn Any + Send + Sync + 'static> = object;
    object.downcast::<T>().unwrap()
}

当然这个问题也困扰了 Rust 社区中的很多人。目前已经有人提出了一套不错的解决方案，就是我们接下来要引入的 downcast-rs 库：

[dependencies]
{{#include ../../zcore/Cargo.toml:downcast}}

（题外话：这个库原来是不支持 no_std 的，zCore 有这个需求，于是就顺便帮他实现了一把）

按照它文档的描述，我们要为自己的接口实现向下转换，只需以下修改：

// src/object/mod.rs
use core::fmt::Debug;
use downcast_rs::{impl_downcast, DowncastSync};

pub trait KernelObject: DowncastSync + Debug {...}
impl_downcast!(sync KernelObject);

其中 DowncastSync 代替了原来的 Send + Sync，Debug 用于出错时输出调试信息。 impl_downcast! 宏用来帮我们自动生成转换函数，然后就可以用 downcast_arc 来对 Arc 做向下转换了。我们直接来测试一把：

// src/object/object.rs
{{#include ../../zcore/src/object/object_v1.rs:downcast_test}}
$ cargo test
    Finished test [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.47s
     Running target/debug/deps/zcore-ae1be84852989b13

running 2 tests
test object::downcast ... ok
test object::tests::dummy_object ... ok

模拟继承：用宏自动生成接口实现代码

上面我们已经完整实现了一个内核对象，代码看起来很简洁。但当我们要实现更多对象的时候，就会发现一个问题： 这些对象拥有一些公共属性，接口方法也有共同的实现。 在传统 OOP 语言中，我们通常使用 继承（inheritance） 来复用这些公共代码：子类 B 可以继承父类 A，然后自动拥有父类的所有字段和方法。

继承是一个很强大的功能，但在长期实践中人们也逐渐发现了它的弊端。有兴趣的读者可以看一看知乎上的探讨：面向对象编程的弊端是什么？。 经典著作《设计模式》中就鼓励大家使用组合代替继承。而一些现代的编程语言，如 Go 和 Rust，甚至直接抛弃了继承。在 Rust 中，通常使用组合结构和 Deref trait 来部分模拟继承。

继承野蛮，trait 文明。 —— 某 Rust 爱好者

接下来我们模仿 downcast-rs 库的做法，使用一种基于宏的代码生成方案，来实现 KernelObject 的继承。 当然这只是抛砖引玉，如果读者自己实现了，或者了解到社区中有更好的解决方案，也欢迎指出。

具体做法是这样的：

  • 使用一个 struct 来提供所有的公共属性和方法，作为所有子类的第一个成员。
  • 为子类实现 trait 接口，所有方法直接委托给内部 struct 完成。这部分使用宏来自动生成模板代码。

而所谓的内部 struct，其实就是我们上面实现的 DummyObject。为了更好地体现它的功能，我们给他改个名叫 KObjectBase：

// src/object/mod.rs
{{#include ../../zcore/src/object/mod.rs:base_def}}

接下来我们把它的构造函数改为实现 Default trait，并且公共属性和方法都指定为 pub：

// src/object/mod.rs
{{#include ../../zcore/src/object/mod.rs:base_default}}
impl KObjectBase {
    /// 生成一个唯一的 ID
    fn new_koid() -> KoID {...}
    /// 获取对象名称
    pub fn name(&self) -> String {...}
    /// 设置对象名称
    pub fn set_name(&self, name: &str) {...}
}

最后来写一个魔法的宏！

// src/object/mod.rs
{{#include ../../zcore/src/object/mod.rs:impl_kobject}}

轮子已经造好了！让我们看看如何用它方便地实现一个内核对象，仍以 DummyObject 为例：

// src/object/mod.rs
{{#include ../../zcore/src/object/mod.rs:dummy}}

是不是方便了很多？最后按照惯例，用单元测试检验实现的正确性：

// src/object/mod.rs
{{#include ../../zcore/src/object/mod.rs:dummy_test}}

有兴趣的读者可以继续探索使用功能更强大的 过程宏（proc_macro），进一步简化实现新内核对象所需的模板代码。 如果能把上面的代码块缩小成下面这两行，就更加完美了：

#[KernelObject]
pub struct DummyObject;

总结

在这一节中我们用 Rust 语言实现了 Zircon 最核心的内核对象概念。在此过程中涉及到 Rust 的一系列语言特性和设计模式：

  • 使用 trait 实现接口
  • 使用 内部可变性 模式实现并发对象
  • 基于社区解决方案实现 trait 到 struct 的 向下转换
  • 使用组合模拟继承，并使用 宏 实现模板代码的自动生成

由于 Rust 独特的面向对象编程特性，我们在实现内核对象的过程中遇到了一定的挑战。 不过万事开头难，解决这些问题为整个项目打下了坚实基础，后面实现新的内核对象就会变得简单很多。

在下一节中，我们将介绍内核对象相关的另外两个概念：句柄和权限，并实现内核对象的存储和访问。