Rust in Kernel 6.2 的进展

在一些技术媒体上看到 LWN 上 Jonathan Corbet 发表了一篇 Miguel 最新提交的 28 个补丁的分析文章 Rust in the 6.2 Kernel 。仔细搜索没有找到原文，发现这篇文章目前还是 Subscriber Only 的状态，为了抢先阅读详细内容就订阅了一年 LWN 的服务。以下内容是对这篇文章的概述，如果有错误在所难免，请 TG 联系 genedna 更正。

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在这篇文章通篇都表达了 Jonathan Corbet 认为目前 Rust for Linux 的状态是初级。 Kernel 6.1 版本虽然带来 "Basic" 的支持，但是离实际应用还有很长的路要走。 Jonathan Corbet 强调 "Basic" 的支持仅限于写出 "Hello World" 级别的模块，还有很多相关的代码等待被社区 "Reviewed" 和 "merged" 到主线。Miguel Ojeda 最新提交的 28 个补丁，是从 "infrastructure" 级别支持使用 Rust 编写 Linux Kernel，更加接近 "real functionality"。

当前并不清楚这 28 个补丁 是否是为 6.2 版本合入的全部代码，虽然这和开发者期待马上使用 Rust 开发还有很大距离，但是对于 Linux Kernel 社区的 Maintainer 来说是好事，对于他们理解、Review 和合入代码是有帮助的。

The Rust-for-Linux work has been underway for a few years already; getting up to full functionality may well take a while longer yet. - _Jonathan Corbet 在 LWN 的文章中最后说到。

1. 支持 Kernel 8 个级别的日志输出 macro

之前在 6.1 版本中，仅有 2 个 macro 支持 "info" 和 "emergency" 的日志输出，这次实现了 8 个完整的支持，包括 pr_err!()、pr_warn!()、pr_info!()、pr_debug!()、pr_devel!()、pr_cont!()、pr_emerg!()、pr_alert!()。这些 macro 的使用方式和 C 语言中的 printk 完全一致，只是在 Rust 中使用 ! 代替了 %。

use kernel::pr_cont;
use kernel::prelude::*;

module! {
    type: RustPrint,
    name: b"rust_print",
    author: b"Rust for Linux Contributors",
    description: b"Rust printing macros sample",
    license: b"GPL",
}

struct RustPrint;

impl kernel::Module for RustPrint {
    fn init(_module: &'static ThisModule) -> Result<Self> {
        pr_info!("Rust printing macros sample (init)\n");

        pr_emerg!("Emergency message (level 0) without args\n");
        pr_alert!("Alert message (level 1) without args\n");
        pr_crit!("Critical message (level 2) without args\n");
        pr_err!("Error message (level 3) without args\n");
        pr_warn!("Warning message (level 4) without args\n");
        pr_notice!("Notice message (level 5) without args\n");
        pr_info!("Info message (level 6) without args\n");

        pr_info!("A line that");
        pr_cont!(" is continued");
        pr_cont!(" without args\n");

        pr_emerg!("{} message (level {}) with args\n", "Emergency", 0);
        pr_alert!("{} message (level {}) with args\n", "Alert", 1);
        pr_crit!("{} message (level {}) with args\n", "Critical", 2);
        pr_err!("{} message (level {}) with args\n", "Error", 3);
        pr_warn!("{} message (level {}) with args\n", "Warning", 4);
        pr_notice!("{} message (level {}) with args\n", "Notice", 5);
        pr_info!("{} message (level {}) with args\n", "Info", 6);

        pr_info!("A {} that", "line");
        pr_cont!(" is {}", "continued");
        pr_cont!(" with {}\n", "args");

        Ok(RustPrint)
    }
}

impl Drop for RustPrint {
    fn drop(&mut self) {
        pr_info!("Rust printing macros sample (exit)\n");
    }
}

关于 Linux Kernel 的日志输出，可以参考 Message logging with printk。

2. #[vtable]

在这次提交的 28 个补丁 中，添加了相当复杂的 #[vtable]。 在内核中广泛使用充满函数指针的结构，文章中给了一个读写操作的一个 struct 作为例子。

struct file_operations {
	struct module *owner;
	loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
	ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
	ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
	ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
	ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
	int (*iopoll)(struct kiocb *kiocb, struct io_comp_batch *,
			unsigned int flags);
	int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
	int (*iterate_shared) (struct file *, struct dir_context *);
	__poll_t (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
	long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
	long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
	int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
	unsigned long mmap_supported_flags;
	int (*open) (struct inode *, struct file *);
	int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
	int (*release) (struct inode *, struct file *);
	int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
	int (*fasync) (int, struct file *, int);
	int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
	ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
	unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
	int (*check_flags)(int);
	int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
	ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
	ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
	int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);
	long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,
			  loff_t len);
	void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
#ifndef CONFIG_MMU
	unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);
#endif
	ssize_t (*copy_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *,
			loff_t, size_t, unsigned int);
	loff_t (*remap_file_range)(struct file *file_in, loff_t pos_in,
				   struct file *file_out, loff_t pos_out,
				   loff_t len, unsigned int remap_flags);
	int (*fadvise)(struct file *, loff_t, loff_t, int);
	int (*uring_cmd)(struct io_uring_cmd *ioucmd, unsigned int issue_flags);
} __randomize_layout;

#[vtable] 的目的是在 C struct 和 Rust trait 之间进行必要的 阻抗匹配 。 阻抗匹配 是一个电学中的名词，大意是将两个不同的电路连接起来，使其能够正常工作。在这里，我觉得可以理解为将 C struct 和 Rust trait "合适" 的映射起来，使其能够正常工作。

在 Rust 中的一个 struct 如果传递给 Linux Kernel 的其他部分使用，它必须被转换为合适的 C 的 struct 。这个过程是由 bindgen 完成的，但是 bindgen 并不知道 Rust 的 trait 哪些操作已经实现，哪些操作应该用空指针表示，所以它无法将 Rust 的 trait 转换为 C 的 struct。这就是 #[vtable] 的作用，它可以为每个定义的函数生成一个特殊的常量成员，在编译时生成 C 的代码可以查询这些常量，并为缺失的操作插入空指针。 这是一个相当复杂的 macro ，在文章中也没有进行更多的解释。

3. Vec 对内存申请的改进

Vec 是我们是我们写代码最经常用到的，这次补丁增加了 try_with_capacity() and try_with_capacity_in() 两个函数。这两个函数的作用是在 Vec 的内存申请失败时，返回 Err 而不是 panic。这样就可以在 Vec 的内存申请失败时，进行一些处理，而不是直接 panic。

4. CStr 和 CString

提交了两个和 C 语言代码功能一致的 CStr 和 CString ，我理解这提高了将 Rust 代码和 Kernel 其他代码进行交互的体验，这部分内容在反而评论区引起了热议，#[vatable] 倒是没有太多评论的声音。

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我坚信 Rust for Linux 是这两年整个操作系统里面最大的进步，这个项目的存在，让我对 Rust 的未来充满了信心。 更多的开发者可以借助 Rust 进入到 Linux Kernel 领域，这对于 Linux Kernel 的发展是非常重要的。