创建虚拟内存空间

ELF 文件解析与内存空间创建

为了能让用户程序运行起来，内核首先要给它分配用户内存空间，即创建一个虚拟内存空间供它使用。由于用户程序要通过中断访问内核的代码，因此它所在的虚拟内存空间必须也包含内核的各代码段和数据段。

ELF 文件与只含有代码和数据的纯二进制文件不同，需要我们手动去解析它的文件结构来获得各段的信息。所幸的是， rust 已经有 crate xmas-elf帮我们实现了这一点。

ELF 执行文件格式

ELF(Executable and Linking Format)文件格式是 Linux 系统下的一种常用目标文件(object file)格式，有三种主要类型，我们主要关注的是用于执行的可执行文件(Executable File)类型，它提供了程序的可执行代码/数据内容，加载的内存空间布局描述等。 这也是本实验的 OS 和应用的执行文件类型。可参考ELF 描述进一步了解相关信息。

对 ELF 文件解析与内存空间创建的处理，需要解析出 ELF 文件中的关键的段（如 code 段、data 段、BSS 段等），并把段的内容拷贝到段设定的地址中，设置好相关属性。这需要对虚拟内存相关的MemorySet 和 MemoryArea 的相关实现进行扩展。具体修改如下：

解析 ELF 文件

1. // src/process/structs.rs
2. trait ElfExt {
3. fn make_memory_set(&self) -> MemorySet;
4. }
5. // 给一个用户程序的ELF可执行文件创建虚拟内存空间
6. impl ElfExt for ElfFile<'_> {
7. fn make_memory_set(&self) -> MemorySet {
8. // MemorySet::new()的实现中已经映射了内核各数据、代码段，以及物理内存段
9. // 于是我们只需接下来映射用户程序各段即可
10. let mut memory_set = MemorySet::new();
11. for ph in self.program_iter() {
12. // 遍历各段并依次尝试插入 memory_set
13. if ph.get_type() != Ok(Type::Load) {
14. continue;
15. }
16. let vaddr = ph.virtual_addr() as usize;
17. let mem_size = ph.mem_size() as usize;
18. let data = match ph.get_data(self).unwrap() {
19. SegmentData::Undefined(data) => data,
20. _ => unreachable!(),
21. };
22. // 这里在插入一个 MemoryArea 时还需要复制数据
23. // 所以我们将 MemorySet 的接口略作修改，最后一个参数为数据源
24. memory_set.push(
25. vaddr,   vaddr + mem_size,
26. ph.flags().to_attr(), //将elf段的标志转化为我们熟悉的 MemoryAttr
27. ByFrame::new(),
28. Some((data.as_ptr() as usize, data.len())),
29. );
30. }
31. memory_set
32. }
33. }
34. ......

建立对应的虚拟内存空间

我们对 MemorySet 和 MemoryArea 的接口略作修改：

1. // src/memory/memory_set/mod.rs
2. impl MemorySet {
3. ...
4. pub fn push(&mut self, start: usize, end: usize, attr: MemoryAttr, handler: impl MemoryHandler, data: Option<(usize, usize)>) {
5. ...
6. let area = MemoryArea::new(start, end, Box::new(handler), attr);
7. // 首先进行映射
8. area.map(&mut self.page_table);
9. if let Some((src, length)) = data {
10. // 如果传入了数据源
11. // 交给 area 进行复制
12. area.page_copy(&mut self.page_table, src, length);
13. }
14. self.areas.push(area);
15. }
16. ......

18. // src/memory/memory_set/area.rs
19. impl MemoryArea {
20. ...
21. pub fn page_copy(&self, pt: &mut PageTableImpl, src: usize, length: usize) {
22. let mut l = length;
23. let mut s = src;
24. for page in PageRange::new(self.start, self.end) {
25. // 交给 MemoryHandler 逐页进行复制
26. self.handler.page_copy(pt, page, s, l...);
27. s += PAGE_SIZE;
28. if l >= PAGE_SIZE { l -= PAGE_SIZE; }
29. }
30. ......
31. // src/memory/memory_set/handler.rs
32. pub trait MemoryHandler: Debug + 'static {
33. ...
34. fn page_copy(&self, pt: &mut PageTableImpl, va: usize, src: usize, length: usize);
35. }

37. impl MemoryHandler for Linear {
38. ...
39. fn page_copy(&self, pt: &mut PageTableImpl, va: usize, src: usize, length: usize) {
40. let pa = pt.get_entry(va)...;
41. unsafe {
42. let dst = core::slice::from_raw_parts_mut(va...);
43. if length > 0 {
44. let src = core::slice::from_raw_parts(src...);
45. for i in 0..length { dst[i] = src[i]; }
46. }
47. for i in length..PAGE_SIZE { dst[i] = 0; }
48. }
49. }
50. }

52. impl MemoryHandler for ByFrame {
53. ...
54. fn page_copy(&self, pt: &mut PageTableImpl, va: usize, src: usize, length: usize) {
55. //类似fn page_copy() in mpl MemoryHandler for Linear
56. ......
57. }

59. // src/memory/paging.rs
60. // 这里有两处要改成 pub ，其他不必做改动
61. pub struct PageEntry(pub &'static mut PageTableEntry, Page);

63. impl PageTableImpl {
64. ...
65. pub fn get_entry(&mut self, va: usize) -> Option<&mut PageEntry> {
66. let page = Page::of_addr(VirtAddr::new(va));
67. if let Ok(e) = self.page_table.ref_entry(page.clone()) {
68. let e = unsafe { &mut *(e as *mut PageTableEntry) };
69. self.entry = Some(PageEntry(e, page));
70. Some(self.entry.as_mut().unwrap())
71. }
72. else {
73. None
74. }
75. }
76. ...
77. }

由于 MemorySet::push 的接口发生的变化，我们要将 ElfExt::make_memory_set 之外的所有 push 调用最后均加上一个 None 参数。

现在我们就可以从 ElfFile 创建用户程序的虚拟内存空间了。