用户程序

应用程序的组成与编译

我们首先来看一个应用程序，这里我们假定是hello应用程序，在user/hello.c中实现，代码如下：

#include <stdio.h>
#include <ulib.h>

int main(void) {
    cprintf("Hello world!!.\n");
    cprintf("I am process %d.\n", getpid());
    cprintf("hello pass.\n");
    return 0;
}

hello应用程序只是输出一些字符串，并通过系统调用sys_getpid（在getpid函数中调用）输出代表hello应用程序执行的用户进程的进程标识--pid。

首先，我们需要了解ucore操作系统如何能够找到hello应用程序。这需要分析ucore和hello是如何编译的。修改Makefile，把第六行注释掉。然后在本实验源码目录下执行make，可得到如下输出：

+ cc user/hello.c
riscv64-unknown-elf-gcc -Iuser/ -mcmodel=medany -O2 -std=gnu99 -Wno-unused -fno-builtin -Wall -nostdinc  -fno-stack-protector -ffunction-sections -fdata-sections -Ilibs/ -Iuser/include/ -Iuser/libs/ -c user/hello.c -o obj/user/hello.o

riscv64-unknown-elf-ld -m elf64lriscv -nostdlib --gc-sections -T tools/user.ld -o obj/__user_hello.out  obj/user/libs/panic.o obj/user/libs/syscall.o obj/user/libs/ulib.o obj/user/libs/initcode.o obj/user/libs/stdio.o obj/user/libs/umain.o  obj/libs/string.o obj/libs/printfmt.o obj/libs/hash.o obj/libs/rand.o obj/user/hello.o

+ ld bin/kernel
riscv64-unknown-elf-ld -m elf64lriscv -nostdlib --gc-sections -T tools/kernel.ld -o bin/kernel  obj/kern/init/entry.o obj/kern/init/init.o obj/kern/libs/stdio.o obj/kern/libs/readline.o obj/kern/debug/panic.o obj/kern/debug/kdebug.o obj/kern/debug/kmonitor.o obj/kern/driver/ide.o obj/kern/driver/clock.o obj/kern/driver/console.o obj/kern/driver/picirq.o obj/kern/driver/intr.o obj/kern/trap/trap.o obj/kern/trap/trapentry.o obj/kern/mm/vmm.o obj/kern/mm/swap.o obj/kern/mm/kmalloc.o obj/kern/mm/swap_fifo.o obj/kern/mm/default_pmm.o obj/kern/mm/pmm.o obj/kern/fs/swapfs.o obj/kern/process/entry.o obj/kern/process/switch.o obj/kern/process/proc.o obj/kern/schedule/sched.o obj/kern/syscall/syscall.o  obj/libs/string.o obj/libs/printfmt.o obj/libs/hash.o obj/libs/rand.o --format=binary  obj/__user_hello.out obj/__user_badarg.out obj/__user_forktree.out obj/__user_faultread.out obj/__user_divzero.out obj/__user_exit.out obj/__user_softint.out obj/__user_waitkill.out obj/__user_spin.out obj/__user_yield.out obj/__user_badsegment.out obj/__user_testbss.out obj/__user_faultreadkernel.out obj/__user_forktest.out obj/__user_pgdir.out --format=default
riscv64-unknown-elf-objcopy bin/kernel --strip-all -O binary bin/ucore.img

从中可以看出，hello应用程序不仅仅是hello.c，还包含了支持hello应用程序的用户态库：

• user/libs/initcode.S：所有应用程序的起始用户态执行地址“_start”，调整了EBP和ESP后，调用umain函数。

• user/libs/umain.c：实现了umain函数，这是所有应用程序执行的第一个C函数，它将调用应用程序的main函数，并在main函数结束后调用exit函数，而exit函数最终将调用sys_exit系统调用，让操作系统回收进程资源。

• user/libs/ulib.[ch]：实现了最小的C函数库，除了一些与系统调用无关的函数，其他函数是对访问系统调用的包装。

• user/libs/syscall.[ch]：用户层发出系统调用的具体实现。

• user/libs/stdio.c：实现cprintf函数，通过系统调用sys_putc来完成字符输出。

• user/libs/panic.c：实现__panic/__warn函数，通过系统调用sys_exit完成用户进程退出。

除了这些用户态库函数实现外，还有一些libs/*.[ch]是操作系统内核和应用程序共用的函数实现。这些用户库函数其实在本质上与UNIX系统中的标准libc没有区别，只是实现得很简单，但hello应用程序的正确执行离不开这些库函数。

[!NOTE|style:flat]

libs/.[ch]、user/libs/.[ch]、user/*.[ch]的源码中没有任何特权指令。

在make的最后一步执行了一个ld命令，把hello应用程序的执行码obj/__user_hello.out连接在了ucore kernel的末尾。且ld命令会在kernel中会把__user_hello.out的位置和大小记录在全局变量_binary_obj___user_hello_out_start和_binary_obj___user_hello_out_size中，这样这个hello用户程序就能够和ucore内核一起被 OpenSBI加载到内存里中，并且通过这两个全局变量定位hello用户程序执行码的起始位置和大小。而到了与文件系统相关的实验后，ucore会提供一个简单的文件系统，那时所有的用户程序就都不再用这种方法进行加载了，而可以用大家熟悉的文件方式进行加载了。

用户进程的虚拟地址空间

在tools/user.ld描述了用户程序的用户虚拟空间的执行入口虚拟地址：

SECTIONS {
    /* Load programs at this address: "." means the current address */
    . = 0x800020;

在tools/kernel.ld描述了操作系统的内核虚拟空间的起始入口虚拟地址：

BASE_ADDRESS = 0xFFFFFFFFC0200000;

SECTIONS
{
    /* Load the kernel at this address: "." means the current address */
    . = BASE_ADDRESS;

这样ucore把用户进程的虚拟地址空间分了两块，一块与内核线程一样，是所有用户进程都共享的内核虚拟地址空间，映射到同样的物理内存空间中，这样在物理内存中只需放置一份内核代码，使得用户进程从用户态进入核心态时，内核代码可以统一应对不同的内核程序；另外一块是用户虚拟地址空间，虽然虚拟地址范围一样，但映射到不同且没有交集的物理内存空间中。这样当ucore把用户进程的执行代码（即应用程序的执行代码）和数据（即应用程序的全局变量等）放到用户虚拟地址空间中时，确保了各个进程不会“非法”访问到其他进程的物理内存空间。