vDSO共享库构建工具

vDSO简介

vDSO（Virtual Dynamic Shared Object，虚拟动态共享对象）是 Linux 内核提供的一种机制，用来高效地将某些内核服务暴露给用户空间，而无需进行用户态到内核态的系统调用（syscall）切换。

其原理为：在内核空间中加载一个二进制共享库文件（vDSO），以及这个共享库文件访问的数据区（vVAR）。之后，将vDSO和vVAR均映射到用户空间，使用户程序可直接访问vDSO中提供的接口，并间接访问vVAR的数据。通过该方式，即可实现代码和数据在用户态和内核态间、在不同用户程序间的共享。

为何需要单独的vVAR数据区，而不是使用vDSO中的数据段？

• 在Linux内核的实现中，vDSO被整体映射到一个只读区域。因此vDSO的数据段只能存储只读数据，而可变数据需要存储在vVAR中。
• 在我们扩展vDSO功能的实现中，分别加载vDSO的代码段和数据段，并赋予相应的读写权限。但有两种可变数据需要区分：(1)共享的可变数据，在一个地址空间中的修改可以反映到其它地址空间中；(2)私有的可变数据，每个地址空间持有不同的拷贝，修改互不影响。因此我们使用vVAR存储共享的可变数据，而使用vDSO中的数据段存储私有的可变数据。

关于vDSO的更详细介绍参考RISC-V Syscall 系列 4：vDSO 实现原理分析。

本项目内容

前文已提及，vDSO技术可用于用户和内核之间、用户进程之间的代码与数据共享。其可应用于一些需要如上的代码数据共享的领域，例如共享任务调度、异步系统调用和进程间通信。本项目即使用vDSO机制实现上述的功能。

本仓库中的两个crate，vdso_helper和build_vdso，用于支持使用Rust语言方便地开发和构建vDSO共享库：

• vdso_helper：封装了vDSO代码所需的操作，包括(1)访问vVAR数据和(2)定义可由环境变量修改的常量。
• build_vdso：将vDSO代码的构建流程整合到vDSO外部代码的构建流程中，并构建可被vDSO外部代码依赖的API库。

通过它们实现的，vDSO开发和构建流程如图所示：

基于本项目开展了如下的工作：

• vsched：基于vDSO机制的调度器，后续将开发为用户态、内核态的统一调度器。
• vqueue：基于vDSO机制的IPC队列，由vipc使用。

目前本项目的工作在AsyncOS上运行，未适配Linux。

vDSO共享库开发和使用流程

开发vDSO库

1. 创建no_std、lib类型的Rust crate，并创建一个模块api和源文件api.rs。
2. 依赖vdso_helper，使用其中的vvar_data!和get_vvar_data!定义和访问共享数据。
3. 通过声明静态变量的方式声明私有数据。
4. （可选）通过vdso_helper中的mut_cfg!和use_mut_cfg!定义在编译期由环境变量指定的常量。
5. 将暴露出的接口函数放置在api.rs中，且使用以下的函数定义：

#[unsafe(no_mangle)]
pub extern "C" fn 函数名(参数) -> 返回值 {
    函数体
}

注意：不是所有对外提供的函数都需要放入api.rs（例如对外提供某些类型关联的方法）。但是，如果该对外提供函数（直接或间接地）访问了共享数据，则必须放入api.rs中。

构建和使用vDSO库

1. 在vDSO外部代码的build.rs中使用build_vdso，配置BuildConfig构建参数，并传入build_vdso函数以构建vDSO库。
2. 执行一次构建后，可在输出目录中找到so文件与API库。
3. 加载vDSO和vVAR：在外部代码所在的地址空间中映射一块区域，并如此设置：首先保留一块VvarData大小的区域，设置为可读可写。在其之后的下一页加载第2步中的so文件，并为各个段设置合适的可读/可写/可执行权限。vVAR区域与vDSO区域的基址都需要对齐到config::PAGES_SIZE_4K。
4. 依赖API库，并传入vDSO的加载基址。
5. 通过API库，调用vDSO的API。
6. 创建用户进程时，将vDSO和vVAR映射到其地址空间，并向用户进程传递vDSO的基址。用户进程即可通过第4、5步的方式使用vDSO。