自作 OS 日記 (3)

Sep 01, 2021 - OS Kernel C

概要

こんにちは！前回に引き続き自作 OS 日記を付けたいと思います。このエントリでは 21 ~ 30 章までの記録を残したいと思います。

日記

2021 年 9 月 25 日

osbook_day21a

IST を設定しました！

osbook_day21b

rpn コマンド で引き算した結果をターミナルに出力するためのシステムコールを実装した。だいぶ身近な箇所の実装にまで辿り着いてさらに楽しくなってきた。

2021 年 9 月 26 日

osbook_day21c

終了のシステムコールを実装しました！この実装により、rpn コマンドで足し算や引き算をした結果を出力し、制御をターミナルに戻すことができます。

今回は、解説されているプログラムをアプリケーション側から写経していきました。つまり、apps/rpn/rpn.cpp の main 関数 内で SyscallExit を呼び出すことから実装を始めました。これは、前節ではアセンブリから実装を始めたので、視点を変えたかったためです。
この節を実装して特に感じたことがあります。それは、節によっては説明が前後するため、紹介されているプログラムを読んで直後の解説を読んでもわけがわからないときが多々あることです。自分は紹介されているプログラムが自分で理解できる時は、プログラムを読んで自分なりの解釈を作ってから直後に書かれている解説を読むようにしています。しかし、プログラムを読んでなぜこの実装にしたのかの意図が全くわからず、直後の解説を読んでも特に触れられていない時があります。その時は、その実装の解釈に対してめちゃくちゃ悩み、妥協して読み進めるしかありません。そして、読み進めると、後の方のページでそのプログラムに対する解説を見つけると、何やねんと思ったりすることもありました。紙面や解説の都合上こうなるのはしょうがないと思うのですが、おいってなります。そのため、自分のこの本の読み方を改めつつ、もっと多くの知識を付けたいと思いました。

2021 年 9 月 27 日

osbook_day21d

アプリケーションが増えてきたので、アプリケーションのリファクタリングを行いました。UI に特に変更はありません。

osbook_day21e

ウィンドウを開くシステムコールを実装しました。

osbook_day21f

前節で実装したシステムコールに機能を加え、開いたウィンドウに文字を表示させました。

2021 年 9 月 28 日

osbook_day22a

exit システムコール を実装しました。これまで SyscallExit と記述していた実装を exit に書き換えて C の標準ライブラリを使うように修正しました。しかし、以下のように _exit が定義されていないというエラ−が出ます。そこで、エラーログに書かれているように apps/newlib_support.c に _exit を定義し、諸々の修正を行いました。その結果、最終的にはライブラリ関数の exit を呼び出すことでアプリケーションを終了させることができました。

clang++     -I/home/h-kiwata/osbook/devenv/x86_64-elf/include/c++/v1 -I/home/h-kiwata/osbook/devenv/x86_64-elf/include -I/home/h-kiwata/osbook/devenv/x86_64-elf/include/freetype2     -I/home/h-kiwata/edk2/MdePkg/Include -I/home/h-kiwata/edk2/MdePkg/Include/X64     -nostdlibinc -D__ELF__ -D_LDBL_EQ_DBL -D_GNU_SOURCE -D_POSIX_TIMERS     -DEFIAPI='__attribute__((ms_abi))' -I. -O2 -Wall -g --target=x86_64-elf -ffreestanding -mcmodel=large -fno-exceptions -fno-rtti -std=c++17 -c rpn.cpp -o rpn.o
ld.lld -L/home/h-kiwata/osbook/devenv/x86_64-elf/lib --entry main -z norelro --image-base 0xffff800000000000 --static -o rpn rpn.o ../syscall.o ../newlib_support.o -lc -lc++ -lc++abi
ld.lld: error: undefined symbol: _exit
>>> referenced by exit.c
>>>               lib_a-exit.o:(exit) in archive /home/h-kiwata/osbook/devenv/x86_64-elf/lib/libc.a
../Makefile.elfapp:12: recipe for target 'rpn' failed
make[1]: *** [rpn] Error 1
make[1]: ディレクトリ '/home/h-kiwata/honOS/apps/rpn' から出ます
Makefile:3: recipe for target 'build' failed
make: *** [build] Error 2

osbook_day22b

星が描画されたウィンドウを出すアプリケーションを実装しました。

osbook_day22c

タイマカウントを取得するためのシステムコールを追加しました。。

osbook_day22d

画面の描画の最適化を行いました。gif からもわかるように前節と比較して描画時間が高速になりました。

2021 年 9 月 29 日

osbook_day22e

lines アプリケーションを実装しました。点をブロットして線を表現しているのですが、 gif の上の方は、傾きが大きくなるほど点の間隔が広くなり上手く描画できていません。それに改善を加えたのが下の方の gif です。下の gif では傾きが急になっても点と点の間隔が広くないような工夫を施しています。

osbook_day22f

アプリケーションのウィンドウを閉じるロジックを追加しました。現時点ではアプリケーションを開くとすぐに終了してしまいます。次節でコマンドでアプリケーションを終了できるように修正します。

osbook_day22g

Ctrl + Q でアプリケーションを閉じる機能を追加しました。これでアプリケーションを閉じることができます！

2021 年 9 月 30 日

osbook_day23a

Ubuntu の xeyes のようなアプリケーションを実装しました。アプリケーションを起動しアクティブな状態だと、マウスが移動する方向にアプリケーションのウィンドウ内の点が移動します。

osbook_day23b

マウスの左ボタンをクリックしながらペイントウィンドウ内でカーソルを移動させると、文字を書くことができる機能を実装しました。

2021 年 10 月 1 日

osbook_day23c

一定時間スリープするコマンド timer コマンドを実装しました。

osbook_day23d

cube コマンドを実装しました。

osbook_day23e

この節では、ブロック崩しコマンド blocks を実装しました。
このコマンドを実装する際に、 newlib_support.c に不足するライブラリ関数を追加する必要があります。それらの関数は、Kernel をビルドする際に現れる以下のエラーから確認できます。それらは、getpid と kill です。

ld.lld -L/home/h-kiwata/osbook/devenv/x86_64-elf/lib --entry main -z norelro --image-base 0xffff800000000000 --static -o blocks blocks.o ../syscall.o ../newlib_support.o -lc -lc++ -lc++abi -lm
ld.lld: error: undefined symbol: kill
>>> referenced by signalr.c
>>>               lib_a-signalr.o:(_kill_r) in archive /home/h-kiwata/osbook/devenv/x86_64-elf/lib/libc.a

ld.lld: error: undefined symbol: getpid
>>> referenced by signalr.c
>>>               lib_a-signalr.o:(_getpid_r) in archive /home/h-kiwata/osbook/devenv/x86_64-elf/lib/libc.a
../Makefile.elfapp:12: recipe for target 'blocks' failed
make[1]: *** [blocks] Error 1
make[1]: ディレクトリ '/home/h-kiwata/honOS/apps/blocks' から出ます
Makefile:3: recipe for target 'build' failed
make: *** [build] Error 2

きちんと条件分岐のロジックを設定しないと、文字列がダブって入力されてします。

以下の画像からもわかるようにブロック崩しゲームを実装できました。

osbook_day24a

F2 キーを押下すると、新しいターミナルが起動します。しかし、新しく起動したターミナルのカーソルは点滅しません。次節以降でこの問題点を解消していきます。

osbook_day24b

アクティブなウィンドウのカーソルが点滅するように修正を行いました。

osbook_day24c

以下の上側の gif からもわかるように複数のターミナルから複数のアプリケーションを起動できません。これは、仮想メモリ領域が競合しているからです。本節では、このバグを解消します。

アプリケーション毎に仮想メモリ領域を切り替えるように修正を行いました。その結果、複数のターミナルから複数のアプリケーションを実行することができました。

osbook_day24d

ウィンドウの重なりのバグを修正しました。

osbook_day24e

ターミナルを束縛せずにアプリケーションを起動させるように修正しました。

2021 年 10 月 2 日

osbook_day24f

本節では、意図的にアプリケーションがフリーズするコマンド fault を作成します。このコマンドはアプリケーションがフリーズした時に上手にハンドリングを行う際に次節で活用します。

osbook_day24g

アプリケーションが落ちた時の例外処理を実装しました。

osbook_day25a

ls コマンドを実行した際に、ディレクトリ配下のエントリも表示するように修正しました。

osbook_day25b

ファイルの中身を読み出すアプリケーション readfile コマンド を実装しました！
途中でシステムコール内でバグがあったのですが、Log 関数 を活用してバグのありそうな箇所を起点に二分探索風に調査を行いました。その結果、if 文の条件式の間違いに気づけました。バグの調査はヒヤヒヤするのですが、解決できると嬉しいです😁

osbook_day25c

grep コマンド を実装しました！

2021 年 10 月 5 日

osbook_day26a

エコーバックを実装しました！
3 回文字列を入力すると、exit する原因はわかりませんでした。

osbook_day26b

例えば grep コマンド を実行すると、制御がターミナルに戻ってきません。そこで、この節では、Ctrl + D を押すことで、アプリケーションを停止する機能を実装しました！

osbook_day26c

ファイルを新規で作成するためのロジックを実装しました！ここでお馴染みの File Descriptor を扱いました！

osbook_day26d

新規で作成したファイルに書き込む機能を実装しました！つまり、cp コマンド を実行することができます。
この節で必要な機能を一通り実装し、HonOS を起動させると、以下の画像の上のようにアプリケーションから制御がターミナルに戻らず、フリーズしました。そこで、いつも通り二分探索 print デバッグを行うと、前節で実装した ExtendCluster 関数 の中の for 文の終了条件が間違っており、無限ループから抜けられないような実装になっていました …
デバッグ中は、最悪このバグが解決できなかった時は、この本をやりきった研究室の同期に相談しようと思っていましたが、自力で解決できた時はめっちゃ嬉しかったです😁