合并内核与应用程序

• 代码

到目前为止我们的 OS 还没有文件系统，所以我们只需将最终得到的应用程序可执行文件直接链接到内核中，合并在一起，形成一个 image，这样让 bootloader 一开始就把内核和应用程序一并加载到内存中。

这里的实现有一些技巧，我们先写一个编译脚本 build.rs。注意是直接放在项目文件夹 os 中，而不是源码文件夹 src：

// build.rs

use std::fs::File;
use std::io::{Result, Write};

fn main() {
    println!("cargo:rerun-if-env-changed=USER_IMG");
    if let Ok(user_img) = std::env::var("USER_IMG") {
        println!("cargo:rerun-if-changed={}", user_img);
    }
    gen_link_user_asm().unwrap();
}

/// Generate assembly file for linking user image
fn gen_link_user_asm() -> Result<()> {
    let mut f = File::create("src/link_user.S").unwrap();
    let user_img = std::env::var("USER_IMG").unwrap();

    writeln!(f, "# generated by build.rs - do not edit")?;
    writeln!(f, r#"
    .section .data
    .global _user_img_start
    .global _user_img_end
_user_img_start:
    .incbin "{}"
_user_img_end:
"#, user_img)?;
    Ok(())
}

然后在 init.rs 中加入：

// init.rs

global_asm!(include_str!("link_user.S"));

这段编译脚本会在每次编译的最开始运行。它的作用是生成一段汇编代码，将用户程序可执行文件原封不动地链接到内核的 $\text{.data}$ 段中。这段汇编被生成到 src/link_user.S 文件中，然后我们在 init.rs 里把它导入进来。此后可以在其它地方通过 _user_img_start 和 _user_img_end 这两个符号得知它所在的虚拟地址。

我们用一个环境变量 USER_IMG 记录用户程序可执行文件的路径，编译脚本在执行时，会将这个字符串填入生成的汇编中。所以我们只需在编译之前利用 export 修改环境变量 USER_IMG 为我们最终得到的可执行文件的路径即可。

最后让我们关注一开始的两条奇怪语句：

println!("cargo:rerun-if-env-changed=USER_IMG");
println!("cargo:rerun-if-changed={}", user_img);

这是编译脚本发送给构建工具 cargo 的特殊指令，含义是：当检测到环境变量 USER_IMG 或者它所指向的文件发生变化时，就强制重新编译。并且每次编译时，都会生成一个新的 link_user.S 文件。

这波操作要解决的问题是：由于编译器具有自动增量构建的特性，会导致当用户镜像发生变化时，编译器无法自动感知到，最后链接的还是以前的版本，使得我们不得不手动 cargo clean 清理干净中间产物后重新编译。

现在，我们每次更新并编译生成用户程序执行文件后，都可以放心地直接 make run 了！