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rCore基础测验概览

Rust 语言进阶 & OS 入门** 的配套实验仓库 oscamp-base-experiment。

这一阶段的定位是帮助学员在正式编写 rCore 操作系统内核前，补齐系统级编程经验和操作系统底层的设计思想。整个项目共有 6个模块（Modules），包含 23 个渐进式的底层练习题，通过类似 rustlings 的命令行工具 oscamp 配合 todo!() 填空的形式进行自学与测试。

下面是每个章节（Module）及各个具体实验（Exercise）在教你做什么的详细解析：

Module 1: Concurrency (Synchronous) — 同步并发编程

核心目的：让你掌握 Rust 标准库下的基础多线程并发、共享状态管理、通道通信以及进程管道交互。

  1. 01_thread_spawn (线程创建)
    • 教你做：如何使用 thread::spawn 创建新线程，理解 Rust 中的闭包捕获机制（特别是 move 关键字进行所有权转移），以及如何使用 join() 等待子线程结束。
  2. 02_mutex_counter (互斥锁计数器)
    • 教你做：如何结合引用计数智能指针 Arc<T> 与互斥锁 Mutex<T>（即 Arc<Mutex<T>>）实现多线程安全地共享并修改同一个计数器。
  3. 03_channel (消息通道)
    • 教你做：掌握 Rust 标准库的 mpsc::channel（多生产者单消费者），学习如何在线程间安全地发送和接收消息，体会线程间的解耦。
  4. 04_process_pipe (进程管道)
    • 教你做：在 Rust 中使用 Command 运行外部子进程，并通过 Stdio::piped() 捕获其标准输出/输入，实现进程级别的管道重定向与交互。

Module 2: no_std Development — 裸机（无标准库）开发

核心目的：脱离标准库的保护，学习如何在“零操作系统的裸机环境”下直接管理内存、封装底层系统调用，这是编写 OS 内核的基石。

  1. 01_mem_primitives (内存基本操作)
    • 教你做：在不依赖标准库（no_std）的情况下，自己动手用 Rust 实现 C 标准库最基础的内存与字符串操作函数，如 memcpy、memset、memmove、strlen、strcmp。
  2. 02_bump_allocator (Bump 内存分配器)
    • 教你做：学习实现一个超简单的单向递增（Bump）分配器，为其实现 Rust 内核堆分配所需的 GlobalAlloc trait，并使用基于 CAS (Compare-And-Swap) 的无锁机制确保其线程安全。
  3. 03_free_list_allocator (空闲链表内存分配器)
    • 教你做：实现一个更实用的空闲链表分配器，掌握如何编写侵入式双向链表，并实现 First-Fit（最先匹配）分配策略。
  4. 04_syscall_wrapper (系统调用封装)
    • 教你做：学习如何通过 Rust 内联汇编（asm!）在不同的硬件架构（x86_64、aarch64、riscv64）上直接封装并触发底层的系统调用。
  5. 05_fd_table (文件描述符表)
    • 教你做：实现一个文件描述符表（File Descriptor Table），学习通过动态分发 Arc<dyn File> 统一管理不同的打开文件，以及空闲文件描述符的复用和回收策略。

Module 3: OS Concurrency Advanced — 操作系统并发进阶

核心目的：跳过标准库现成的锁，深入更底层的原子操作和硬件同步机制，在硬件级上自己实现锁和并发同步原语。

  1. 01_atomic_counter (原子计数器)
    • 教你做：使用 Rust 的原子类型（如 AtomicU64），掌握原子加法 fetch_add 以及基于 CAS 循环自旋的无锁并发原理。
  2. 02_atomic_ordering (内存屏障与内存顺序)
    • 教你做：理解复杂的内存顺序（Memory Ordering，如 Release-Acquire 释放-获取语义），以及如何使用原子变量无锁实现一个线程安全的 OnceCell。
  3. 03_spinlock (自旋锁)
    • 教你做：利用原子变量的 compare_exchange 和硬件支持的 spin_loop 暂停指令，在裸机上从头实现一个自旋锁（Spinlock）。
  4. 04_spinlock_guard (RAII 锁守卫)
    • 教你做：为自旋锁实现 RAII（资源获取即初始化）守卫 SpinlockGuard，通过实现 Rust 的 Deref、DerefMut 和 Drop trait，使得锁可以在离开作用域时自动释放，防止死锁。
  5. 05_rwlock (读写锁)
    • 教你做：在不依赖 std::sync::RwLock 的前提下，手写一个支持写者优先（Writer-Priority）的读写锁，处理多读单写的同步场景。

Module 4: Context Switching — 上下文切换

核心目的：这是理解进程/线程调度的核心！通过保存与恢复 CPU 寄存器，实现最底层的控制流切换。该模块专为 riscv64 架构设计。

  1. 01_stack_coroutine (有栈协程)
    • 教你做：学习 RISC-V 架构下的被调用者保存寄存器（Callee-saved registers）和栈帧布局，手写汇编指令实现最核心的控制流跳转和上下文切换（Context Switch）。
  2. 02_green_threads (绿色线程调度器)
    • 教你做：在上下文切换的基础上构建一个绿色线程调度运行时，实现协作式线程调度（Cooperative Scheduling）及主动让出 CPU（yield）的机制。

Module 5: Async Programming — 异步编程

核心目的：深入 Rust 的协程与异步机制。不只学会用 async/await，更要明白底层的异步运行时（Runtime）是如何调用协程的。

  1. 01_basic_future (手写 Future)
    • 教你做：脱离 async 关键字，手动实现 Rust 核心库的 Future trait，编写底层的 Poll 状态返回逻辑，并掌握如何管理和唤醒 Waker。
  2. 02_tokio_tasks (Tokio 异步任务)
    • 教你做：学习在真实的 Tokio 异步运行时下，使用 tokio::spawn 产生并发执行的异步任务，并合理管理 JoinHandle。
  3. 03_async_channel (异步通道)
    • 教你做：利用 tokio::sync::mpsc 实现非阻塞的、支持异步等待的生产者-消费者模式消息通道。
  4. 04_select_timeout (Select 与超时控制)
    • 教你做：学习使用 tokio::select! 宏进行多路异步任务并发竞争，实现超时控制、任务取消以及多任务竞态执行的处理。

Module 6: Page Tables — 页表管理

核心目的：理解虚拟内存与地址空间，这是操作系统提供内存安全隔离的最重要硬件机制。

  1. 01_pte_flags (页表项标志位操作)
    • 教你做：理解 RISC-V SV39 分页方案下的页表项（PTE）位布局，通过位运算来构造、修改和解析 PTE 的各种控制标志位（如 R/W/X 权限和有效位 V）。
  2. 02_page_table_walk (单级页表与地址翻译)
    • 教你做：学习单级页表下的虚拟地址到物理地址的映射机制。练习如何解析虚拟页号（VPN），手动模拟地址转换过程，并能识别和触发缺页异常（Page Fault）。
  3. 03_multi_level_pt (SV39 多级页表映射)
    • 教你做：实现 SV39 三级页表的手动遍历（Page Table Walk）。在缺页时能够动态创建下级页表，建立或拆除虚实地址映射关系，并支持 2MB 大页（Huge Pages）的映射。
  4. 04_tlb_sim (TLB 模拟器)
    • 教你做：模拟实现内存管理单元（MMU）中的快表（TLB）。自己编写 TLB 的查询、插入、FIFO（先进先出）页面替换算法，并实现清理（Flush）全部或特定页/特定地址空间（ASID）快表项的逻辑。