tg-ch5 0.4.2-preview.1

Chapter 5 of rCore Tutorial: Process management with fork, exec and wait syscalls.
tg-ch5-0.4.2-preview.1 is not a library.

第五章：进程

本章在第四章"地址空间"的基础上，引入了完整的 进程管理 机制，实现了 fork、exec、waitpid 等核心系统调用。进程是操作系统中最重要的抽象之一——它将"运行中的程序"封装为一个可管理的实体，使得用户可以动态创建、终止、等待进程，并通过 Shell 与操作系统交互。

通过本章的学习和实践，你将理解：

  • 什么是进程，进程与任务的区别
  • fork 如何复制父进程的地址空间创建子进程
  • exec 如何用新程序替换当前进程的地址空间
  • waitpid 如何等待子进程退出并回收资源
  • 进程树结构和父子关系的维护
  • 初始进程（initproc）和 Shell 的运行机制
  • 进程调度（FIFO/RR → stride 调度算法）

前置知识：建议先完成第一章至第四章的学习，理解裸机启动、Trap 处理、系统调用、多任务调度和虚拟内存机制。

项目结构

ch5/
├── .cargo/
│   └── config.toml     # Cargo 配置：交叉编译目标和 QEMU runner
├── .gitignore           # Git 忽略规则
├── build.rs            # 构建脚本：下载编译用户程序，生成链接脚本和 APP_ASM
├── Cargo.toml          # 项目配置与依赖
├── LICENSE             # GPL v3 许可证
├── README.md           # 本文档
├── rust-toolchain.toml # Rust 工具链配置
├── test.sh             # 自动测试脚本
└── src/
    ├── main.rs         # 内核主体：初始化、调度循环、系统调用实现
    ├── process.rs      # 进程结构：ELF 加载、fork、exec、堆管理
    └── processor.rs    # 处理器管理：进程管理器、调度队列

源码阅读导航索引

返回根文档导航总表

本章建议按“进程数据结构 -> 管理器 -> syscall 语义”阅读，重点把 fork/exec/wait 串起来。

阅读顺序 文件 重点问题
1 src/process.rs from_elf、fork、exec 分别如何改变进程执行映像？
2 src/processor.rs ProcManager 如何维护就绪队列与实体映射？
3 src/main.rs 初始化路径 initproc 如何被加载并进入调度体系？
4 src/main.rs Trap + syscall 分支 exit/wait/exec 在内核中的状态迁移如何发生？

配套建议：结合 tg-task-manage 的 PManager/ProcRel 注释阅读，可快速厘清父子进程关系与回收机制。

DoD 验收标准（本章完成判据）

  • 能描述 fork -> exec -> wait 的完整语义链路
  • 能从源码解释父子进程关系如何被建立、等待与回收
  • 能解释 initproc 与 user_shell 在系统启动后的角色
  • 能在 Shell 中运行至少一个 fork/wait 相关用户程序并解释输出
  • 能执行 ./test.sh base（练习时补充 ./test.sh exercise）

概念-源码-测试三联表

核心概念 源码入口 自测方式（命令/现象）
进程创建与替换 ch5/src/process.rs 的 fork/exec/from_elf 子进程 PID、父子返回值与预期一致
进程调度与实体管理 ch5/src/processor.rs 能解释 ready_queue 如何决定下一运行进程
退出与回收 ch5/src/main.rs 的 syscall 分支（EXIT/WAIT） waitpid 能拿到子进程退出码
启动进程链 ch5/src/main.rs 初始化 initproc 进入 shell 并可执行命令

遇到构建/运行异常可先查看根文档的“高频错误速查表”。

一、环境准备

1.1 安装 Rust 工具链

Linux / macOS / WSL：

curl --proto '=https' --tlsv1.2 -sSf https://sh.rustup.rs | sh
source "$HOME/.cargo/env"

验证安装：

rustc --version    # 要求 >= 1.85.0（支持 edition 2024）
cargo --version

1.2 添加 RISC-V 64 编译目标

rustup target add riscv64gc-unknown-none-elf

1.3 安装 QEMU 模拟器

Ubuntu / Debian：

sudo apt update
sudo apt install qemu-system-misc

macOS（Homebrew）：

brew install qemu

验证：

qemu-system-riscv64 --version    # 建议 >= 7.0

1.4 安装额外工具

cargo install cargo-clone
cargo install cargo-binutils
rustup component add llvm-tools

1.5 获取源代码

方式一：只获取本实验

cargo clone tg-ch5
cd tg-ch5

方式二：获取所有实验

git clone https://github.com/rcore-os/rCore-Tutorial-in-single-workspace.git
cd rCore-Tutorial-in-single-workspace/ch5

二、编译与运行

2.1 编译

cargo build

编译过程与前几章类似，build.rs 会自动下载 tg-user、编译用户程序并嵌入内核。

环境变量说明：

  • TG_USER_DIR：指定本地 tg-user 源码路径（跳过自动下载）
  • TG_USER_VERSION：指定 tg-user 版本（默认 0.2.0-preview.1）
  • TG_SKIP_USER_APPS：设置后跳过用户程序编译
  • LOG：设置日志级别（如 LOG=INFO、LOG=TRACE）

2.2 运行

基础模式：

cargo run

练习模式：

cargo run --features exercise

实际执行的 QEMU 命令等价于：

qemu-system-riscv64 \
    -machine virt \
    -nographic \
    -bios none \
    -kernel target/riscv64gc-unknown-none-elf/debug/tg-ch5

2.3 预期输出

[tg-ch5 ...] Hello, world!
[ INFO] .text    ---> 0x80200000..0x8020xxxx
[ INFO] .rodata  ---> 0x8020xxxx..0x8020xxxx
[ INFO] .data    ---> 0x8020xxxx..0x8020xxxx
[ INFO] (heap)   ---> 0x8020xxxx..0x81a00000

Rust user shell
>> ch5b_forktest_simple

sys_wait without child process test passed!
parent start, pid = 2!
ready waiting on parent process!
hello child process!
child process pid = 3, exit code = 100
Shell: Process 2 exited with code 0
>> ch5b_forktree
...

与第四章不同，你会看到：

  • 出现了 Shell 交互界面，用户可以通过输入命令名来执行程序
  • initproc 进程启动后 fork 出 user_shell 子进程
  • 用户程序通过 fork/exec 组合动态创建和执行
  • waitpid 回收子进程资源，Shell 打印退出码

2.4 运行测试

./test.sh           # 运行全部测试（基础 + 练习）
./test.sh base      # 仅运行基础测试
./test.sh exercise  # 仅运行练习测试

三、操作系统核心概念

3.1 从任务到进程

在前几章中，我们管理的是"任务"（Task）：内核预先加载所有用户程序，按调度策略切换执行。但任务有明显的局限性：

特性 任务（第三、四章） 进程（第五章）
创建方式 内核启动时全部加载 运行时动态创建（fork）
程序替换 不支持 exec 加载新程序
父子关系 无 完整的进程树
资源回收 内核自动回收 父进程通过 wait 回收
用户交互 无 Shell 命令行
进程标识 无/内部编号 PID（进程标识符）

进程（Process）是操作系统对"运行中的程序"的抽象。每个进程拥有：

  • 独立的地址空间（页表）
  • 唯一的进程标识符（PID）
  • 执行上下文（寄存器状态）
  • 父子关系

3.2 核心系统调用

fork：创建子进程

fork() 系统调用
─────────────────────────────────────
syscall ID: 220
功能：由当前进程复制出一个子进程
返回值：
  - 对于父进程：返回子进程的 PID
  - 对于子进程：返回 0

fork 的核心操作是深拷贝父进程的地址空间：

父进程地址空间                 子进程地址空间（fork 后）
┌──────────────┐              ┌──────────────┐
│   .text      │  ──复制──→   │   .text      │
│   .data      │              │   .data      │
│   堆空间      │              │   堆空间      │
│   用户栈      │              │   用户栈      │
│   传送门      │ ──共享──→   │   传送门      │
└──────────────┘              └──────────────┘
  独立页表                       独立页表
  （不同物理页面）                 （不同物理页面）

fork 返回后，父子进程拥有相同的代码和数据，但在不同的地址空间中独立运行。区分父子进程的方式是 fork 的返回值：

let pid = fork();
if pid == 0 {
    // 子进程分支
} else {
    // 父进程分支，pid 是子进程的 PID
}

exec：替换程序

exec(path) 系统调用
─────────────────────────────────────
syscall ID: 221
功能：将当前进程的地址空间清空，加载并执行指定的 ELF 程序
参数：path 为程序名字符串
返回值：成功不返回（开始执行新程序），失败返回 -1

exec 的核心操作是替换地址空间：

exec 前（旧程序）              exec 后（新程序）
┌──────────────┐              ┌──────────────┐
│  旧 .text    │              │  新 .text    │
│  旧 .data    │  ──替换──→   │  新 .data    │
│  旧堆空间    │              │  新堆空间    │
│  旧用户栈    │              │  新用户栈    │
└──────────────┘              └──────────────┘
  PID 不变                       PID 不变

exec 保留 PID 和父子关系，但完全替换了代码和数据。

waitpid：等待子进程

waitpid(pid, exit_code) 系统调用
─────────────────────────────────────
syscall ID: 260
功能：等待子进程退出，回收资源，收集退出码
参数：
  - pid == -1：等待任意子进程
  - pid > 0：等待指定 PID 的子进程
  - exit_code：存放子进程退出码的用户空间指针
返回值：
  - 成功：返回退出的子进程 PID
  - 无符合条件的子进程：返回 -1
  - 子进程尚未退出：返回 -2（由用户库循环等待）

其他系统调用

syscall ID 名称 功能
63 read 从标准输入读取（需地址翻译）
64 write 写入标准输出（需地址翻译）
93 exit 退出当前进程，保存退出码
124 sched_yield 主动让出 CPU
113 clock_gettime 获取系统时间（需地址翻译）
172 getpid 获取当前进程 PID
214 sbrk 调整堆大小
220 fork 创建子进程
221 exec 替换当前程序
260 wait / waitpid 等待子进程退出
400 spawn 创建新进程（练习题）
140 set_priority 设置进程优先级（练习题）
222 mmap 映射匿名内存（练习题）
215 munmap 取消内存映射（练习题）

3.3 进程生命周期

                 fork
  父进程 ──────────────→ 子进程（就绪态）
                              │
                         exec（可选）
                              │
                              ▼
                         运行中 ←─── sched_yield / 时间片用完
                              │               ↑
                              │        调度器选中
                              ▼               │
                         就绪态 ──────────────┘
                              │
                         exit / 异常
                              │
                              ▼
                         僵尸态（Zombie）
                              │
                    父进程 waitpid 回收
                              │
                              ▼
                         资源释放，进程消亡

僵尸进程：进程退出后，其 PCB 和退出码仍然保留，等待父进程通过 waitpid 回收。如果父进程先退出，子进程会被挂到 initproc 下面，由 initproc 负责回收。

3.4 进程控制块（PCB）

在 tg-ch5 中，进程控制块由 Process 结构体表示：

pub struct Process {
    pub pid: ProcId,                                    // 进程标识符
    pub context: ForeignContext,                          // 用户态上下文 + satp
    pub address_space: AddressSpace<Sv39, Sv39Manager>,  // 独立地址空间
    pub heap_bottom: usize,                              // 堆底
    pub program_brk: usize,                              // 堆顶（sbrk）
}

与教科书中的 PCB 对比：

教科书 PCB 字段 tg-ch5 对应
PID pid: ProcId
寄存器状态 context.context: LocalContext
页表基地址 context.satp
地址空间 address_space: AddressSpace
父进程 / 子进程 由 ProcManager 维护
进程状态 由 PManager 管理
退出码 由 PManager 管理

3.5 进程管理器与调度

进程管理分为两层：

  1. ProcManager：负责进程实体的存储和调度队列管理

    • tasks: BTreeMap<ProcId, Process>：所有进程实体
    • ready_queue: VecDeque<ProcId>：就绪队列（FIFO）

  2. PManager（来自 tg-task-manage 库）：高层进程管理接口

    • add()：添加进程
    • find_next()：取出下一个就绪进程
    • make_current_exited()：标记当前进程退出
    • make_current_suspend()：暂停当前进程
    • wait()：等待子进程

当前调度算法是简单的 FIFO / 时间片轮转。练习题要求实现 stride 调度算法。

3.6 初始进程 initproc 和 Shell

initproc 是内核创建的第一个用户进程：

内核 rust_main
    │
    ▼
加载 initproc（ELF）
    │
    ▼
initproc 启动
    │
    ├── fork 子进程
    │      │
    │      ▼
    │   exec("user_shell")  →  Shell 启动
    │                              │
    │                         用户输入命令
    │                              │
    │                         fork + exec 执行命令
    │                              │
    │                         waitpid 等待命令完成
    │
    ▼
  loop { wait() }  // 回收僵尸进程

Shell（user_shell） 的工作流程：

  1. 打印提示符 >>
  2. 逐字符读取用户输入（通过 read 系统调用）
  3. 用户按回车后，fork 出子进程
  4. 子进程调用 exec 执行输入的程序名
  5. 父进程调用 waitpid 等待子进程结束
  6. 打印子进程的退出码，回到步骤 1

3.7 fork 的实现细节

fork 的核心是深拷贝地址空间。在 tg-ch5 中：

pub fn fork(&mut self) -> Option<Process> {
    let pid = ProcId::new();
    // 1. 复制父进程的完整地址空间
    let mut address_space = AddressSpace::new();
    self.address_space.cloneself(&mut address_space);
    // 2. 映射异界传送门
    map_portal(&address_space);
    // 3. 复制上下文（寄存器状态）
    let context = self.context.context.clone();
    let satp = (8 << 60) | address_space.root_ppn().val();
    // 4. 子进程的 a0 = 0（fork 返回值）
    // （由调用者设置）
    Some(Self { pid, context: ForeignContext { context, satp }, address_space, ... })
}

cloneself 方法会：

  1. 遍历父进程地址空间的所有映射区域
  2. 为子进程分配新的物理页面
  3. 将父进程的页面数据逐页复制到子进程

3.8 exec 的实现细节

exec 替换当前进程的地址空间：

pub fn exec(&mut self, elf: ElfFile) {
    let proc = Process::from_elf(elf).unwrap();
    self.address_space = proc.address_space;  // 旧地址空间被释放
    self.context = proc.context;
    self.heap_bottom = proc.heap_bottom;
    self.program_brk = proc.program_brk;
}

关键点：

  • PID 保持不变
  • 旧地址空间的生命周期结束，所有物理页面被回收
  • 从新的 ELF 创建全新的地址空间
  • Trap 上下文重新初始化（入口地址、栈指针等）

3.9 waitpid 与资源回收

当进程调用 exit 退出时：

  1. 标记为僵尸态（Zombie）
  2. 将所有子进程挂到 initproc 下
  3. 回收用户地址空间（物理页面）
  4. 保留 PCB 和退出码（等待父进程回收）

父进程调用 waitpid 时：

  1. 查找符合条件的僵尸子进程
  2. 收集退出码（通过地址翻译写入用户空间）
  3. 从进程表中删除子进程 PCB
  4. 返回子进程 PID

四、代码解读

4.1 src/main.rs —— 内核主体

启动流程 rust_main：

  1. 清零 BSS 段
  2. 初始化控制台和日志
  3. 初始化内核堆分配器（tg_kernel_alloc）
  4. 分配并创建异界传送门
  5. 建立内核地址空间（恒等映射 + 传送门映射），激活 Sv39 分页
  6. 初始化系统调用处理器
  7. 加载初始进程 initproc
  8. 进入主调度循环

主调度循环：

  • 不断从进程管理器取出就绪进程
  • 通过异界传送门切换到用户地址空间执行
  • Trap 返回后处理系统调用或异常
  • 所有进程完成后关机

系统调用实现（impls 模块）：

  • IO：write（地址翻译后输出）、read（SBI 读字符）
  • Process：fork（深拷贝地址空间）、exec（替换地址空间）、wait（回收子进程）、getpid、spawn（TODO）、sbrk
  • Scheduling：sched_yield、set_priority（TODO）
  • Clock：clock_gettime（地址翻译后写入）
  • Memory：mmap（TODO）、munmap（TODO）

4.2 src/process.rs —— 进程管理

Process::from_elf(elf)：从 ELF 创建进程

  • 验证 ELF 头 → 创建地址空间 → 映射 LOAD 段 → 分配用户栈 → 创建 ForeignContext

Process::fork()：复制进程

  • 深拷贝地址空间 → 映射传送门 → 复制上下文 → 分配新 PID

Process::exec(elf)：替换程序

  • 从 ELF 创建新进程 → 替换地址空间和上下文 → 保留 PID

Process::change_program_brk(size)：实现 sbrk

  • size > 0：扩展堆，映射新页面
  • size < 0：收缩堆，取消映射
  • 返回旧的 break 地址

4.3 src/processor.rs —— 处理器管理

Processor：全局处理器管理器

  • 封装 PManager，提供 get_mut() 访问接口

ProcManager：进程管理器

  • tasks: BTreeMap：进程实体存储
  • ready_queue: VecDeque：FIFO 就绪队列
  • 实现 Manage trait（insert/get_mut/delete）
  • 实现 Schedule trait（add/fetch）

4.4 Cargo.toml —— 依赖说明

依赖 说明
xmas-elf ELF 文件格式解析库
riscv RISC-V CSR 寄存器访问（satp、scause）
spin 自旋锁（Lazy 延迟初始化）
tg-sbi SBI 调用封装（console、shutdown）
tg-linker 链接脚本生成、内核布局定位、用户程序元数据
tg-console 控制台输出（print!/println!）和日志
tg-kernel-context 用户上下文及异界传送门（foreign feature）
tg-kernel-alloc 内核堆分配器
tg-kernel-vm 虚拟内存管理（地址空间、页表）
tg-syscall 系统调用定义与分发
tg-task-manage 进程管理框架（proc feature，支持进程树）

五、编程练习

5.1 迁移 mmap 和 munmap

你仍需要迁移上一章的 mmap / munmap 以适应新的进程结构。

注意：从本章节开始，不再要求维护 trace 这一系统调用。

mmap 定义：

fn mmap(&self, _caller: Caller, addr: usize, len: usize, prot: i32,
        _flags: i32, _fd: i32, _offset: usize) -> isize
  • syscall ID：222
  • 申请 len 字节物理内存，映射到 addr 开始的虚存，属性为 prot
  • 参数：
    • addr：虚存起始地址（必须按页对齐）
    • len：字节长度（可为 0，按页向上取整）
    • prot：bit 0=可读，bit 1=可写，bit 2=可执行。其他位必须为 0
  • 返回：成功 0，错误 -1
  • 可能的错误：addr 未对齐、prot 无效、地址已映射、物理内存不足

munmap 定义：

fn munmap(&self, _caller: Caller, addr: usize, len: usize) -> isize
  • syscall ID：215
  • 取消 [addr, addr + len) 的映射
  • 错误：存在未被映射的虚存

5.2 进程创建：spawn 系统调用

大家一定好奇过为啥进程创建要用 fork + exec 这么一个奇怪的系统调用，就不能直接搞一个新进程吗？思而不学则殆，我们就来试一试！请实现一个完全 DIY 的系统调用 spawn，用以创建一个新进程。

spawn 系统调用定义（标准 spawn 看这里）：

fn spawn(&self, _caller: Caller, path: usize, count: usize) -> isize
  • syscall ID: 400
  • 功能：新建子进程，使其执行目标程序。
  • 参数：path 目标程序路径，count 路径长度
  • 说明：成功返回子进程 id，否则返回 -1。
  • 可能的错误：
    • 无效的文件名。

注意：虽然测例很简单，但提醒读者 spawn 不必像 fork 一样复制父进程的地址空间。spawn 直接从 ELF 创建新进程即可。

5.3 stride 调度算法

ch3 中我们实现的调度算法十分简单。现在我们要为我们的 OS 实现一种带优先级的调度算法：stride 调度算法。

算法描述：

  1. 为每个进程设置一个当前 stride，表示该进程当前已经运行的"长度"。另外设置其对应的 pass 值（只与进程的优先权有关系），表示对应进程在调度后，stride 需要进行的累加值。

  2. 每次需要调度时，从当前 runnable 态的进程中选择 stride 最小的进程调度。对于获得调度的进程 P，将对应的 stride 加上其对应的步长 pass。

  3. 一个时间片后，回到上一步骤，重新调度当前 stride 最小的进程。

可以证明，如果令 P.pass = BigStride / P.priority，其中 P.priority 表示进程的优先权（大于 1），而 BigStride 表示一个预先定义的大常数，则该调度方案为每个进程分配的时间将与其优先级成正比。

其他实验细节：

  • stride 调度要求进程优先级 >= 2，所以设定进程优先级 <= 1 会导致错误。
  • 进程初始 stride 设置为 0 即可。
  • 进程初始优先级设置为 16。

set_priority 系统调用：

fn set_priority(&self, _caller: Caller, prio: isize) -> isize
  • syscall ID：140
  • 设置当前进程优先级为 prio
  • 参数：prio 进程优先级，要求 prio >= 2
  • 返回值：如果输入合法则返回 prio，否则返回 -1

5.4 实现提示

  • 你可以在 Process 中添加新字段（如 stride、priority）来支持优先级调度
  • 为了减少整数除的误差，BigStride 一般需要很大，但为了不至于发生溢出反转现象，或许选择一个适中的数即可，当然能进行溢出处理就更好了
  • stride 算法要找到 stride 最小的进程，使用优先级队列是效率不错的办法，但是我们的实验测例很简单，所以效率完全不是问题。事实上，很推荐使用暴力扫一遍的办法找最小值
  • 注意设置进程的初始优先级
  • spawn 不必像 fork 一样复制地址空间，可以直接调用 Process::from_elf 创建新进程

5.5 实验要求

目录结构说明：

tg-ch5/
├── Cargo.toml（内核配置文件）
├── src/（内核源代码，需要修改）
│   ├── main.rs（内核主函数，包括系统调用接口实现）
│   ├── process.rs（进程结构）
│   └── processor.rs（进程管理器和调度器）
└── tg-user/（用户程序，运行时自动拉取，无需修改）
    └── src/bin（测试用例）

说明：

  • tg-user 会在运行时自动拉取到 tg-ch5/tg-user 目录下
  • 只需修改 tg-ch5/src/ 目录下的内核代码

运行和测试：

运行练习测例：

cargo run --features exercise

然后在终端中输入 ch5_usertest 运行，这个测例打包了所有你需要通过的测例。你也可以通过修改这个文件调整本地测试的内容，或者单独运行某测例来纠正特定的错误。

测试练习测例：

./test.sh exercise

前向兼容：从本章开始，你的内核必须前向兼容，需要能通过前一章的所有测例（除了 ch3_trace 和 ch4_trace）。

六、本章小结

通过本章的学习和实践，你完成了操作系统中最核心的抽象——进程：

  1. 进程概念：将"运行中的程序"封装为拥有独立资源的实体，通过 PID 标识
  2. fork 系统调用：深拷贝父进程的地址空间创建子进程，父子通过返回值区分
  3. exec 系统调用：替换当前进程的地址空间，加载新的 ELF 程序执行
  4. waitpid 系统调用：等待子进程退出，回收资源，收集退出码
  5. 进程树：通过父子关系形成树状结构，initproc 负责回收孤儿进程
  6. Shell：用户通过命令行界面与操作系统交互，动态创建和管理进程
  7. 进程调度：从简单的 FIFO/RR 到 stride 优先级调度

在后续章节中，我们将在进程的基础上引入文件系统，实现持久化存储和文件 I/O。

七、思考题

  1. fork 的效率问题？ fork 需要复制整个地址空间，如果进程占用大量内存，开销很大。现代操作系统如何优化这个问题？（提示：Copy-on-Write）

  2. 为什么 fork + exec？ UNIX 为什么选择 fork + exec 的组合而不是直接 spawn？这种设计有什么优缺点？Windows 的 CreateProcess 与之有何不同？

  3. 僵尸进程的问题？ 如果父进程不调用 waitpid，子进程退出后会一直是僵尸态。这会导致什么问题？initproc 如何解决孤儿进程问题？

  4. stride 调度的公平性？ 为什么 stride 调度能保证与优先级成正比的时间分配？如果 BigStride 太小会怎样？太大会怎样？

  5. spawn vs fork+exec？ spawn 相比 fork+exec 有什么优势？在什么场景下 fork+exec 更灵活？

参考资料

附录：rCore-Tutorial 组件分析表

表 1：tg-ch1 ~ tg-ch8 操作系统内核总体情况描述表

操作系统内核 所涉及核心知识点 主要完成功能 所依赖的组件
tg-ch1 应用程序执行环境裸机编程（Bare-metal）SBI（Supervisor Binary Interface）RISC-V 特权级（M/S-mode）链接脚本（Linker Script）内存布局（Memory Layout）Panic 处理 最小 S-mode 裸机程序QEMU 直接启动（无 OpenSBI）打印 "Hello, world!" 并关机演示最基本的 OS 执行环境 tg-sbi
tg-ch2 批处理系统（Batch Processing）特权级切换（U-mode ↔ S-mode）Trap 处理（ecall / 异常）上下文保存与恢复系统调用（write / exit）用户态 / 内核态sret 返回指令 批处理操作系统顺序加载运行多个用户程序特权级切换和 Trap 处理框架实现 write / exit 系统调用 tg-sbitg-linkertg-consoletg-kernel-contexttg-syscall
tg-ch3 多道程序（Multiprogramming）任务控制块（TCB）协作式调度（yield）抢占式调度（Preemptive）时钟中断（Clock Interrupt）时间片轮转（Time Slice）任务切换（Task Switch）任务状态（Ready/Running/Finished）clock_gettime 系统调用 多道程序与分时多任务多程序同时驻留内存协作式 + 抢占式调度时钟中断与时间管理 tg-sbitg-linkertg-consoletg-kernel-contexttg-syscall
tg-ch4 虚拟内存（Virtual Memory）Sv39 三级页表（Page Table）地址空间隔离（Address Space）页表项（PTE）与标志位地址转换（VA → PA）异界传送门（MultislotPortal）ELF 加载与解析堆管理（sbrk）恒等映射（Identity Mapping）内存保护（Memory Protection）satp CSR 引入 Sv39 虚拟内存每个用户进程独立地址空间跨地址空间上下文切换进程隔离和内存保护 tg-sbitg-linkertg-consoletg-kernel-contexttg-kernel-alloctg-kernel-vmtg-syscall
tg-ch5 进程（Process）进程控制块（PCB）进程标识符（PID）fork（地址空间深拷贝）exec（程序替换）waitpid（等待子进程）进程树 / 父子关系初始进程（initproc）Shell 交互式命令行进程生命周期（Ready/Running/Zombie）步幅调度（Stride Scheduling） 引入进程管理fork / exec / waitpid 系统调用动态创建、替换、等待进程Shell 交互式命令行 tg-sbitg-linkertg-consoletg-kernel-contexttg-kernel-alloctg-kernel-vmtg-syscalltg-task-manage
tg-ch6 文件系统（File System）easy-fs 五层架构SuperBlock / Inode / 位图DiskInode（直接+间接索引）目录项（DirEntry）文件描述符表（fd_table）文件句柄（FileHandle）VirtIO 块设备驱动MMIO（Memory-Mapped I/O）块缓存（Block Cache）硬链接（Hard Link）open / close / read / write 系统调用 引入文件系统与 I/O用户程序存储在磁盘镜像（fs.img）VirtIO 块设备驱动easy-fs 文件系统实现文件打开 / 关闭 / 读写 tg-sbitg-linkertg-consoletg-kernel-contexttg-kernel-alloctg-kernel-vmtg-syscalltg-task-managetg-easy-fs
tg-ch7 进程间通信（IPC）管道（Pipe）环形缓冲区（Ring Buffer）统一文件描述符（Fd 枚举）信号（Signal）信号集（SignalSet）信号屏蔽字（Signal Mask）信号处理函数（Signal Handler）kill / sigaction / sigprocmask / sigreturn命令行参数（argc / argv）I/O 重定向（dup） 进程间通信-管道 异步事件通知（信号）统一文件描述符抽象信号发送 / 注册 / 屏蔽 / 返回 tg-sbitg-linkertg-consoletg-kernel-contexttg-kernel-alloctg-kernel-vmtg-syscalltg-task-managetg-easy-fstg-signaltg-signal-impl
tg-ch8 同步互斥（Sync&Mutex）线程（Thread）/ 线程标识符（TID）进程-线程分离竞态条件（Race Condition）临界区（Critical Section）互斥（Mutual Exclusion）互斥锁（Mutex：自旋锁 vs 阻塞锁）信号量（Semaphore：P/V 操作）条件变量（Condvar）管程（Monitor：Mesa 语义）线程阻塞与唤醒（wait queue）死锁（Deadlock）/ 死锁四条件银行家算法（Banker's Algorithm）双层管理器（PThreadManager） 进程-线程分离同一进程内多线程并发互斥锁（MutexBlocking）信号量（Semaphore）条件变量（Condvar）线程阻塞与唤醒机制死锁检测（练习） tg-sbitg-linkertg-consoletg-kernel-contexttg-kernel-alloctg-kernel-vmtg-syscalltg-task-managetg-easy-fstg-signaltg-signal-impltg-sync

表 2：tg-ch1 ~ tg-ch8 操作系统内核所依赖组件总体情况描述表

功能组件 所涉及核心知识点 主要完成功能 所依赖的组件
tg-sbi SBI（Supervisor Binary Interface）console_putchar / console_getchar系统关机（shutdown）RISC-V 特权级（M/S-mode）ecall 指令 S→M 模式的 SBI 调用封装字符输出 / 字符读取系统关机支持 nobios 直接操作 UART 无
tg-console 控制台 I/O格式化输出（print! / println!）日志系统（Log Level）自旋锁保护的全局控制台 可定制 print! / println! 宏log::Log 日志实现Console trait 抽象底层输出 无
tg-kernel-context 上下文（Context）Trap 帧（Trap Frame）寄存器保存与恢复特权级切换stvec / sepc / scause CSRLocalContext（本地上下文）ForeignContext（跨地址空间上下文）异界传送门（MultislotPortal） 用户/内核态切换上下文管理LocalContext 结构ForeignContext（含 satp）MultislotPortal 跨地址空间执行 无
tg-kernel-alloc 内核堆分配器伙伴系统（Buddy Allocation）动态内存管理#[global_allocator] 基于伙伴算法的 GlobalAlloc堆初始化（init）物理内存转移（transfer） 无
tg-kernel-vm 虚拟内存管理页表（Page Table）Sv39 分页（三级页表）虚拟地址（VAddr）/ 物理地址（PAddr）虚拟页号（VPN）/ 物理页号（PPN）页表项（PTE）/ 页表标志位（VmFlags）地址空间（AddressSpace）PageManager trait地址翻译（translate） Sv39 页表管理AddressSpace 地址空间抽象虚实地址转换页面映射（map / map_extern）页表项操作 无
tg-syscall 系统调用（System Call）系统调用号（SyscallId）系统调用分发（handle）系统调用结果（Done / Unsupported）Caller 抽象IO / Process / Scheduling / Clock /Signal / Thread / SyncMutex trait 接口 系统调用 ID 与参数定义trait 接口供内核实现init_io / init_process / init_scheduling /init_clock / init_signal /init_thread / init_sync_mutex支持 kernel / user feature tg-signal-defs
tg-task-manage 任务管理（Task Management）调度（Scheduling）进程管理器（PManager, proc feature）双层管理器（PThreadManager, thread feature）ProcId / ThreadId就绪队列（Ready Queue）Manage trait / Schedule trait进程等待（wait / waitpid）线程等待（waittid）阻塞与唤醒（blocked / re_enque） Manage 和 Schedule trait 抽象proc feature：单层进程管理器（PManager）thread feature：双层管理器（PThreadManager）进程树 / 父子关系线程阻塞 / 唤醒 无
tg-easy-fs 文件系统（File System）SuperBlock / Inode / 位图（Bitmap）DiskInode（直接+间接索引）块缓存（Block Cache）BlockDevice trait文件句柄（FileHandle）打开标志（OpenFlags）管道（Pipe）/ 环形缓冲区用户缓冲区（UserBuffer）FSManager trait easy-fs 五层架构实现文件创建 / 读写 / 目录操作块缓存管理管道环形缓冲区实现FSManager trait 抽象 无
tg-signal-defs 信号编号（SignalNo）SIGKILL / SIGINT / SIGUSR1 等信号动作（SignalAction）信号集（SignalSet）最大信号数（MAX_SIG） 信号编号枚举定义信号动作结构定义信号集类型定义为 tg-signal 和 tg-syscall 提供共用类型 无
tg-signal 信号处理（Signal Handling）Signal trait 接口add_signal / handle_signalsget_action_ref / set_actionupdate_mask / sig_return / from_forkSignalResult（Handled / ProcessKilled） Signal trait 接口定义信号添加 / 处理 / 动作设置屏蔽字更新 / 信号返回fork 继承 tg-kernel-contexttg-signal-defs
tg-signal-impl SignalImpl 结构已接收信号位图（received）信号屏蔽字（mask）信号处理中状态（handling）信号动作表（actions）信号处理函数调用上下文保存与恢复 Signal trait 的参考实现信号接收位图管理屏蔽字逻辑处理状态和动作表 tg-kernel-contexttg-signal
tg-sync 互斥锁（Mutex trait: lock / unlock）阻塞互斥锁（MutexBlocking）信号量（Semaphore: up / down）条件变量（Condvar: signal / wait_with_mutex）等待队列（VecDeque<ThreadId>）UPIntrFreeCell MutexBlocking 阻塞互斥锁Semaphore 信号量Condvar 条件变量通过 ThreadId 与调度器交互 tg-task-manage
tg-user 用户态程序（User-space App）用户库（User Library）系统调用封装（syscall wrapper）用户堆分配器用户态 print! / println! 用户测试程序运行时库系统调用封装用户堆分配器各章节测试用例（ch2~ch8） tg-consoletg-syscall
tg-checker 测试验证输出模式匹配正则表达式（Regex）测试用例判定 rCore-Tutorial CLI 测试输出检查工具验证内核输出匹配预期模式支持 --ch N 和 --exercise 模式 无
tg-linker 链接脚本（Linker Script）内核内存布局（KernelLayout）.text / .rodata / .data / .bss / .boot 段入口点（boot0! 宏）BSS 段清零 形成内核空间布局的链接脚本模板用于 build.rs 工具构建 linker.ld内核布局定位（KernelLayout::locate）入口宏（boot0!）段信息迭代 无

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