独立式可执行程序

创建一个不链接标准库的 Rust 可执行文件，将是我们迈出的第一步。无需底层操作系统的支撑，这样才能在裸机（bare metal）上运行 Rust 代码。

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🔗简介

要编写一个操作系统内核，我们需要编写不依赖任何操作系统特性的代码。这意味着我们不能使用线程、文件、堆内存、网络、随机数、标准输出，或其它任何需要操作系统抽象和特定硬件的特性；因为我们正在编写自己的操作系统和硬件驱动。

实现这一点，意味着我们不能使用 Rust标准库的大部分；但还有很多 Rust 特性是我们依然可以使用的。比如说，我们可以使用迭代器、闭包、模式匹配、Option、Result、字符串格式化，当然还有所有权系统。这些功能让我们能够编写表达性强、高层抽象的操作系统，而无需关心未定义行为和内存安全。

为了用 Rust 编写一个操作系统内核，我们需要创建一个独立于操作系统的可执行程序。这样的可执行程序常被称作独立式可执行程序（freestanding executable）或裸机程序(bare-metal executable)。

在这篇文章里，我们将逐步地创建一个独立式可执行程序，并且详细解释为什么每个步骤都是必须的。如果读者只对最终的代码感兴趣，可以跳转到本篇文章的小结部分。

🔗禁用标准库

在默认情况下，所有的 Rust 包（crate）都会链接标准库（standard library），而标准库依赖于操作系统功能，如线程、文件系统、网络。标准库还与 Rust 的 C 语言标准库实现库（libc）相关联，它也是和操作系统紧密交互的。既然我们的计划是编写自己的操作系统，我们就需要不使用任何与操作系统相关的库——因此我们必须禁用标准库自动引用（automatic inclusion）。使用 no_std 属性可以实现这一点。

我们可以从创建一个新的 cargo 项目开始。最简单的办法是使用下面的命令：

cargo new blog_os --bin --edition 2018

在这里我把项目命名为 blog_os，当然读者也可以选择自己的项目名称。默认情况下，即使不显式指定，cargo 也会为我们添加--bin 选项，说明我们将要创建一个可执行文件（而不是一个库）； 另外 --edition 2018 参数指明了项目的包要使用 Rust 的 2018 版次（2018 edition），但在默认情况下，该参数会指向本地安装的最新版本。当我们成功执行这行指令后，cargo 为我们创建的目录结构如下：

blog_os
├── Cargo.toml
└── src
    └── main.rs

在这里，Cargo.toml 文件包含了包的配置（configuration），比如包的名称、作者、semver版本 和项目依赖项；src/main.rs 文件包含包的根模块（root module）和 main 函数。我们可以使用 cargo build 来编译这个包，然后在 target/debug 文件夹内找到编译好的 blog_os 二进制文件。

🔗no_std 属性

现在我们的包依然隐式地与标准库链接。为了禁用这种链接，我们可以尝试添加 no_std 属性：

// main.rs

#![no_std]

fn main() {
    println!("Hello, world!");
}

看起来很顺利。当我们使用 cargo build 来编译的时候，却出现了下面的错误：

error: cannot find macro `println!` in this scope
 --> src\main.rs:4:5
  |
4 |     println!("Hello, world!");
  |     ^^^^^^^

出现这个错误的原因是：println! 宏是标准库的一部分，而我们的项目不再依赖于标准库。我们选择不再打印字符串。这也很好理解，因为 println! 将会向标准输出（standard output）打印字符，它依赖于特殊的文件描述符，而这是由操作系统提供的特性。

所以我们可以移除这行代码，使用一个空的 main 函数再次尝试编译：

// main.rs

#![no_std]

fn main() {}

> cargo build
error: `#[panic_handler]` function required, but not found
error: language item required, but not found: `eh_personality`

现在我们发现，编译器缺少一个 #[panic_handler] 函数和一个语言项（language item）。

🔗实现 panic 处理函数

panic_handler 属性定义了一个函数，它会在一个 panic 发生时被调用。标准库中提供了自己的 panic 处理函数，但在 no_std 环境中，我们需要定义一个自己的 panic 处理函数：

// in main.rs

use core::panic::PanicInfo;

/// 这个函数将在 panic 时被调用
#[panic_handler]
fn panic(_info: &PanicInfo) -> ! {
    loop {}
}

类型为 PanicInfo 的参数包含了 panic 发生的文件名、代码行数和可选的错误信息。这个函数从不返回，所以他被标记为发散函数（diverging function）。发散函数的返回类型称作 Never 类型（“never” type），记为!。对这个函数，我们目前能做的很少，所以我们只需编写一个无限循环 loop {}。

🔗eh_personality 语言项

语言项是一些编译器需求的特殊函数或类型。举例来说，Rust 的 Copy trait 是一个这样的语言项，告诉编译器哪些类型需要遵循复制语义（copy semantics）——当我们查找 Copy trait 的实现时，我们会发现，一个特殊的 #[lang = "copy"] 属性将它定义为了一个语言项，达到与编译器联系的目的。

我们可以自己实现语言项，但这是下下策：目前来看，语言项是高度不稳定的语言细节实现，它们不会经过编译期类型检查（所以编译器甚至不确保它们的参数类型是否正确）。幸运的是，我们有更稳定的方式，来修复上面的语言项错误。

eh_personality 语言项标记的函数，将被用于实现栈展开（stack unwinding）。在使用标准库的情况下，当 panic 发生时，Rust 将使用栈展开，来运行在栈上所有活跃的变量的析构函数（destructor）——这确保了所有使用的内存都被释放，允许调用程序的父进程（parent thread）捕获 panic，处理并继续运行。但是，栈展开是一个复杂的过程，如 Linux 的 libunwind 或 Windows 的结构化异常处理（structured exception handling, SEH），通常需要依赖于操作系统的库；所以我们不在自己编写的操作系统中使用它。

🔗禁用栈展开

在其它一些情况下，栈展开并不是迫切需求的功能；因此，Rust 提供了在 panic 时中止（abort on panic）的选项。这个选项能禁用栈展开相关的标志信息生成，也因此能缩小生成的二进制程序的长度。有许多方式能打开这个选项，最简单的方式是把下面的几行设置代码加入我们的 Cargo.toml：

[profile.dev]
panic = "abort"

[profile.release]
panic = "abort"

这些选项能将 dev 配置（dev profile）和 release 配置（release profile）的 panic 策略设为 abort。dev 配置适用于 cargo build，而 release 配置适用于 cargo build --release。现在编译器应该不再要求我们提供 eh_personality 语言项实现。

现在我们已经修复了出现的两个错误，可以开始编译了。然而，尝试编译运行后，一个新的错误出现了：

> cargo build
error: requires `start` lang_item

🔗start 语言项

这里，我们的程序遗失了 start 语言项，它将定义一个程序的入口点（entry point）。

我们通常会认为，当运行一个程序时，首先被调用的是 main 函数。但是，大多数语言都拥有一个运行时系统（runtime system），它通常为垃圾回收（garbage collection）或绿色线程（software threads，或 green threads）服务，如 Java 的 GC 或 Go 语言的协程（goroutine）；这个运行时系统需要在 main 函数前启动，因为它需要让程序初始化。

在一个典型的使用标准库的 Rust 程序中，程序运行是从一个名为 crt0 的运行时库开始的。crt0 意为 C runtime zero，它能建立一个适合运行 C 语言程序的环境，这包含了栈的创建和可执行程序参数的传入。在这之后，这个运行时库会调用 Rust 的运行时入口点，这个入口点被称作 start语言项（“start” language item）。Rust 只拥有一个极小的运行时，它被设计为拥有较少的功能，如爆栈检测和打印栈轨迹（stack trace）。这之后，这个运行时将会调用 main 函数。

我们的独立式可执行程序并不能访问 Rust 运行时或 crt0 库，所以我们需要定义自己的入口点。只实现一个 start 语言项并不能帮助我们，因为这之后程序依然要求 crt0 库。所以，我们要做的是，直接重写整个 crt0 库和它定义的入口点。

🔗重写入口点

要告诉 Rust 编译器我们不使用预定义的入口点，我们可以添加 #![no_main] 属性。

#![no_std]
#![no_main]

use core::panic::PanicInfo;

/// 这个函数将在 panic 时被调用
#[panic_handler]
fn panic(_info: &PanicInfo) -> ! {
    loop {}
}

读者也许会注意到，我们移除了 main 函数。原因很显然，既然没有底层运行时调用它，main 函数也失去了存在的必要性。为了重写操作系统的入口点，我们转而编写一个 _start 函数：

#[no_mangle]
pub extern "C" fn _start() -> ! {
    loop {}
}

我们使用 no_mangle 标记这个函数，来对它禁用名称重整（name mangling）——这确保 Rust 编译器输出一个名为 _start 的函数；否则，编译器可能最终生成名为 _ZN3blog_os4_start7hb173fedf945531caE 的函数，无法让链接器正确辨别。

我们还将函数标记为 extern "C"，告诉编译器这个函数应当使用 C 语言的调用约定，而不是 Rust 语言的调用约定。函数名为 _start ，是因为大多数系统默认使用这个名字作为入口点名称。

与前文的 panic 函数类似，这个函数的返回值类型为!——它定义了一个发散函数，或者说一个不允许返回的函数。这一点很重要，因为这个入口点不会被任何函数调用，但将直接被操作系统或引导程序（bootloader）调用。所以作为函数返回的替代，这个入口点应该去调用，比如操作系统提供的 exit 系统调用（“exit” system call）函数。在我们编写操作系统的情况下，关机应该是一个合适的选择，因为当一个独立式可执行程序返回时，不会留下任何需要做的事情（there is nothing to do if a freestanding binary returns）。现在来看，我们可以添加一个无限循环，来满足对返回值类型的需求。

如果我们现在编译这段程序，会出来一大段不太好看的链接器错误（linker error）。

🔗链接器错误

链接器（linker）是一个程序，它将生成的目标文件组合为一个可执行文件。不同的操作系统如 Windows、macOS、Linux，规定了不同的可执行文件格式，因此也各有自己的链接器，抛出不同的错误；但这些错误的根本原因还是相同的：链接器的默认配置假定程序依赖于C语言的运行时环境，但我们的程序并不依赖于它。

为了解决这个错误，我们需要告诉链接器，它不应该包含（include）C 语言运行环境。我们可以选择提供特定的链接器参数（linker argument），也可以选择编译为裸机目标（bare metal target）。

🔗编译为裸机目标

在默认情况下，Rust 尝试适配当前的系统环境，编译可执行程序。举个例子，如果你使用 x86_64 平台的 Windows 系统，Rust 将尝试编译一个扩展名为 .exe 的 Windows 可执行程序，并使用 x86_64 指令集。这个环境又被称作为你的宿主系统（“host” system）。

为了描述不同的环境，Rust 使用一个称为目标三元组（target triple）的字符串。要查看当前系统的目标三元组，我们可以运行 rustc --version --verbose：

rustc 1.35.0-nightly (474e7a648 2019-04-07)
binary: rustc
commit-hash: 474e7a6486758ea6fc761893b1a49cd9076fb0ab
commit-date: 2019-04-07
host: x86_64-unknown-linux-gnu
release: 1.35.0-nightly
LLVM version: 8.0

上面这段输出来自一个 x86_64 平台下的 Linux 系统。我们能看到，host 字段的值为三元组 x86_64-unknown-linux-gnu，它包含了 CPU 架构 x86_64 、供应商 unknown 、操作系统 linux 和二进制接口 gnu。

Rust 编译器尝试为当前系统的三元组编译，并假定底层有一个类似于 Windows 或 Linux 的操作系统提供C语言运行环境——然而这将导致链接器错误。所以，为了避免这个错误，我们可以另选一个底层没有操作系统的运行环境。

这样的运行环境被称作裸机环境，例如目标三元组 thumbv7em-none-eabihf 描述了一个 ARM 嵌入式系统（embedded system）。我们暂时不需要了解它的细节，只需要知道这个环境底层没有操作系统——这是由三元组中的 none 描述的。要为这个目标编译，我们需要使用 rustup 添加它：

rustup target add thumbv7em-none-eabihf

这行命令将为目标下载一个标准库和 core 库。这之后，我们就能为这个目标构建独立式可执行程序了：

cargo build --target thumbv7em-none-eabihf

我们传递了 --target 参数，来为裸机目标系统交叉编译（cross compile）我们的程序。我们的目标并不包括操作系统，所以链接器不会试着链接 C 语言运行环境，因此构建过程会成功完成，不会产生链接器错误。

我们将使用这个方法编写自己的操作系统内核。我们不会编译到 thumbv7em-none-eabihf，而是使用描述 x86_64 环境的自定义目标（custom target）。在下一篇文章中，我们将详细描述一些相关的细节。

🔗链接器参数

我们也可以选择不编译到裸机系统，因为传递特定的参数也能解决链接器错误问题。虽然我们不会在后面使用到这个方法，为了教程的完整性，我们也撰写了专门的短文章，来提供这个途径的解决方案。 如有需要，请点击下方的 “链接器参数” 按钮来展开可选内容。

error: linking with `cc` failed: exit code: 1
  |
  = note: "cc" […]
  = note: /usr/lib/gcc/../x86_64-linux-gnu/Scrt1.o: In function `_start':
          (.text+0x12): undefined reference to `__libc_csu_fini'
          /usr/lib/gcc/../x86_64-linux-gnu/Scrt1.o: In function `_start':
          (.text+0x19): undefined reference to `__libc_csu_init'
          /usr/lib/gcc/../x86_64-linux-gnu/Scrt1.o: In function `_start':
          (.text+0x25): undefined reference to `__libc_start_main'
          collect2: error: ld returned 1 exit status

cargo rustc -- -C link-arg=-nostartfiles

error: linking with `link.exe` failed: exit code: 1561
  |
  = note: "C:\\Program Files (x86)\\…\\link.exe" […]
  = note: LINK : fatal error LNK1561: entry point must be defined

cargo rustc -- -C link-arg=/ENTRY:_start

error: linking with `link.exe` failed: exit code: 1221
  |
  = note: "C:\\Program Files (x86)\\…\\link.exe" […]
  = note: LINK : fatal error LNK1221: a subsystem can't be inferred and must be
          defined

cargo rustc -- -C link-args="/ENTRY:_start /SUBSYSTEM:console"

error: linking with `cc` failed: exit code: 1
  |
  = note: "cc" […]
  = note: ld: entry point (_main) undefined. for architecture x86_64
          clang: error: linker command failed with exit code 1 […]

cargo rustc -- -C link-args="-e __start"

error: linking with `cc` failed: exit code: 1
  |
  = note: "cc" […]
  = note: ld: dynamic main executables must link with libSystem.dylib
          for architecture x86_64
          clang: error: linker command failed with exit code 1 […]

cargo rustc -- -C link-args="-e __start -static"

error: linking with `cc` failed: exit code: 1
  |
  = note: "cc" […]
  = note: ld: library not found for -lcrt0.o
          clang: error: linker command failed with exit code 1 […]

cargo rustc -- -C link-args="-e __start -static -nostartfiles"

# in .cargo/config.toml

[target.'cfg(target_os = "linux")']
rustflags = ["-C", "link-arg=-nostartfiles"]

[target.'cfg(target_os = "windows")']
rustflags = ["-C", "link-args=/ENTRY:_start /SUBSYSTEM:console"]

[target.'cfg(target_os = "macos")']
rustflags = ["-C", "link-args=-e __start -static -nostartfiles"]

🔗小结

一个用 Rust 编写的最小化的独立式可执行程序应该长这样：

src/main.rs：

#![no_std] // 不链接 Rust 标准库
#![no_main] // 禁用所有 Rust 层级的入口点

use core::panic::PanicInfo;

#[no_mangle] // 不重整函数名
pub extern "C" fn _start() -> ! {
    // 因为链接器会寻找一个名为 `_start` 的函数，所以这个函数就是入口点
    // 默认命名为 `_start`
    loop {}
}

/// 这个函数将在 panic 时被调用
#[panic_handler]
fn panic(_info: &PanicInfo) -> ! {
    loop {}
}

Cargo.toml：

[package]
name = "crate_name"
version = "0.1.0"
authors = ["Author Name <author@example.com>"]

# 使用 `cargo build` 编译时需要的配置
[profile.dev]
panic = "abort" # 禁用panic时栈展开

# 使用 `cargo build --release` 编译时需要的配置
[profile.release]
panic = "abort" # 禁用 panic 时栈展开

选用任意一个裸机目标来编译。比如对 thumbv7em-none-eabihf，我们使用以下命令：

cargo build --target thumbv7em-none-eabihf

另外，我们也可以选择以本地操作系统为目标进行编译：

# Linux
cargo rustc -- -C link-arg=-nostartfiles
# Windows
cargo rustc -- -C link-args="/ENTRY:_start /SUBSYSTEM:console"
# macOS
cargo rustc -- -C link-args="-e __start -static -nostartfiles"

要注意的是，现在我们的代码只是一个 Rust 编写的独立式可执行程序的一个例子。运行这个二进制程序还需要很多准备，比如在 _start 函数之前需要一个已经预加载完毕的栈。所以为了真正运行这样的程序，我们还有很多事情需要做。

🔗下篇预览

下一篇文章要做的事情基于我们这篇文章的成果，它将详细讲述编写一个最小的操作系统内核需要的步骤：如何配置特定的编译目标，如何将可执行程序与引导程序拼接，以及如何把一些特定的字符串打印到屏幕上。