近些年来 Rust 语言由于其内存安全性和性能等优势得到了很多关注,尤其是 Linux 内核也在准备将其集成到其中,因此,我们特邀阿里云工程师苏子彬为我们介绍一下如何在 Linux 内核中集成 Rust 支持。
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编者按:近些年来 Rust 语言由于其内存安全性和性能等优势得到了很多关注,尤其是 Linux 内核也在准备将其集成到其中,因此,我们特邀阿里云工程师苏子彬为我们介绍一下如何在 Linux 内核中集成 Rust 支持。
2021 年 4 月 14 号,一封主题名为《Rust support》的邮件出现在 LKML 邮件组中。这封邮件主要介绍了向内核引入 Rust 语言支持的一些看法以及所做的工作。邮件的发送者是 Miguel Ojeda,为内核中 Compiler attributes、.clang-format 等多个模块的维护者,也是目前 Rust for Linux 项目的维护者。
Rust for Linux 项目目前得到了 Google 的大力支持,Miguel Ojeda 当前的全职工作就是负责 Rust for Linux 项目。
长期以来,内核使用 C 语言和汇编语言作为主要的开发语言,部分辅助语言包括 Python、Perl、shell 被用来进行代码生成、打补丁、检查等工作。2016 年 Linux 25 岁生日时,在对 Linus Torvalds 的一篇 采访中,他就曾表示过:
这根本不是一个新现象。我们有过使用 Modula-2 或 Ada 的系统人员,我不得不说 Rust 看起来比这两个灾难要好得多。 我对 Rust 用于操作系统内核并不信服(虽然系统编程不仅限于内核),但同时,毫无疑问,C 有很多局限性。
在最新的对 Rust support 的 RFC 邮件的回复中,他更是说:
所以我对几个个别补丁做了回应,但总体上我不讨厌它。
没有用他特有的回复方式来反击,应该就是暗自喜欢了吧。
目前 Rust for Linux 依然是一个独立于上游的项目,并且主要工作还集中的驱动接口相关的开发上,并非一个完善的项目。
项目地址: https://github.com/Rust-for-Linux/linux
在 Miguel Ojeda 的第一个 RFC 邮件中,他已经提到了 “Why Rust”,简单总结下:
safe
和 unsafe
代码;sum
类型、模式匹配、泛型、RAII、生命周期、共享及专属引用、模块与可见性等等;根据 Rust for Linux 文档,编译一个包含 Rust 支持的内核需要如下步骤:
rustc
编译器。Rust for Linux 不依赖 cargo,但需要最新的 beta 版本的 rustc
。使用 rustup
命令安装:
rustup default beta-2021-06-23core
库,并将这两个库链接进内核镜像。
rustup component add rust-srclibclang
库。libclang
被 bindgen
用做前端,用来处理 C 代码。libclang
可以从 llvm 官方主页 下载预编译好的版本。bindgen
工具,bindgen
是一个自动将 C 接口转为 RustFFI 接口的库:
cargo install --locked --version 0.56.0 bindgenclang
作为默认的内核编译器,使用 gcc
理论上是可以的,但还处于 早期实验 阶段。目录结构
为了将 Rust 集成进内核中,开发者首先对 Kbuild 系统进行修改,加入了相关配置项来开启/关闭 Rust 的支持。
此外,为了编译 rs
文件,添加了一些 Makefile
的规则。这些修改分散在内核目录中的不同文件里。
Rust 生成的目标代码中的符号会因为 Mangling
导致其长度超过同样的 C 程序所生成符号的长度,因此,需要对内核的符号长度相关的逻辑进行补丁。开发者引入了 “大内核符号”的概念,用来在保证向前兼容的情况下,支持 Rust 生成的目标文件符号长度。
其他 Rust 相关的代码都被放置在了 rust
目录下。
在 Rust 中使用 C 函数
Rust 提供 FFI( 外部函数接口(Foreign Function Interface))用来支持对 C 代码的调用。Bindgen 是一个 Rust 官方的工具,用来自动化地从 C 函数中生成 Rust 的 FFI 绑定。内核中的 Rust 也使用该工具从原生的内核 C 接口中生成 Rust 的 FFI 绑定。
quiet_cmd_bindgen = BINDGEN $@
cmd_bindgen = \
$(BINDGEN) $< $(shell grep -v '^\#\|^$$' $(srctree)/rust/bindgen_parameters) \
--use-core --with-derive-default --ctypes-prefix c_types \
--no-debug '.*' \
--size_t-is-usize -o $@ -- $(bindgen_c_flags_final) -DMODULE
$(objtree)/rust/bindings_generated.rs: $(srctree)/rust/kernel/bindings_helper.h \
$(srctree)/rust/bindgen_parameters FORCE
$(call if_changed_dep,bindgen)
ABI
Rust 相关的代码会单独从 rs
编译为 .o
,生成的目标文件是标准的 ELF 文件。在链接阶段,内核的链接器将 Rust 生成的目标文件与其他 C 程序生成的目标文件一起链接为内核镜像文件。因此,只要 Rust 生成的目标文件 ABI 与 C 程序的一致,就可以无差别的被链接(当然,被引用的符号还是要存在的)。
Rust 的 alloc
与 core
库
目前 Rust for Linux 依赖于 core
库。在 core
中定义了基本的 Rust 数据结构与语言特性,例如熟悉的 Option<>
和 Result<>
就是 core
库所提供。
这个库被交叉编译后被直接链接进内核镜像文件,这也是导致启用 Rust 的内核镜像文件尺寸较大的原因。在未来的工作中,这两个库会被进一步被优化,去除掉某些无用的部分,例如浮点操作,Unicode 相关的内容,Futures 相关的功能等。
之前的 Rust for Linux 项目还依赖于 Rust 的 alloc
库。Rust for Linux 定义了自己的 GlobalAlloc
用来管理基本的堆内存分配。主要被用来进行堆内存分配,并且使用 GFP_KERNEL
标识作为默认的内存分配模式。
不过在在最新的 拉取请求 中,社区已经将移植并修改了 Rust的 alloc
库,使其能够在尽量保证与 Rust 上游统一的情况下,允许开发者定制自己的内存分配器。不过目前使用自定义的 GFP_
标识来分配内存依然是不支持的,但好消息是这个功能正在开发中。
用一个简单的 Hello World 来展示如何使用 Rust 语言编写驱动代码,hello_world.rs
:
#![no_std]
#![feature(allocator_api, global_asm)]
use kernel::prelude::*;
module! {
type: HelloWorld,
name: b"hello_world",
author: b"d0u9",
description: b"A simple hello world example",
license: b"GPL v2",
}
struct HelloWorld;
impl KernelModule for HelloWorld {
fn init() -> Result<Self> {
pr_info!("Hello world from rust!\n");
Ok(HelloWorld)
}
}
impl Drop for HelloWorld {
fn drop(&mut self) {
pr_info!("Bye world from rust!\n");
}
}
与之对应的 Makefile
:
obj-m := hello_world.o
构建:
make -C /path/to/linux_src M=$(pwd) LLVM=1 modules
之后就和使用普通的内核模块一样,使用 insmod
工具或者 modprobe
工具加载就可以了。在使用体验上是没有区别的。
module! { }
宏
这个宏可以被认为是 Rust 内核模块的入口,因为在其中定义了一个内核模块所需的所有信息,包括:Author
、License
、Description
等。其中最重要的是 type
字段,在其中需要指定内核模块结构的名字。在这个例子中:
module! {
...
type: HelloWorld,
...
}
struct HelloWorld;
module_init()
与 module_exit()
在使用 C 编写的内核模块中,这两个宏定义了模块的入口函数与退出函数。在 Rust 编写的内核模块中,对应的功能由 trait KernelModule
和 trait Drop
来实现。trait KernelModule
中定义 init()
函数,会在模块驱动初始化时被调用;trait Drop
是 Rust 的内置 trait,其中定义的 drop()
函数会在变量生命周期结束时被调用。
编译与链接
所有的内核模块文件会首先被编译成 .o
目标文件,之后由内核链接器将这些 .o
文件和自动生成的模块目标文件 .mod.o
一起链接成为 .ko
文件。这个 .ko
文件符合动态库 ELF 文件格式,能够被内核识别并加载。
完整的介绍 Rust 是如何被集成进内核的文章可以在 我的 Github 上找到,由于写的仓促,可能存在一些不足,还请见谅。
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