フリースタンディング/ベアメタル Rust の構築

OS やベアメタル環境では OS が提供する機能(ファイル, スレッド, ヒープ)が存在しないため、標準ライブラリ std に依存しない フリースタンディング (freestanding) な Rust バイナリ を構築する必要がある。[[concepts/blog-os-rust-kernel]] や [[entities/redox-slab-allocator]] の前提となる土台。

no_std と最小ランタイム

• #![no_std]: std を切り、core (+ 必要なら alloc) のみで書く。core は OS 非依存のプリミティブ群。
• #[panic_handler]: パニック時に呼ばれる関数を自前実装する必要がある(std が提供していたものが消えるため)。
• language item: コンパイラ内部が必要とする関数・型(eh_personality 等)。これらも自前で潰すか無効化する。
• スタックアンワインド(全スタック変数のデストラクタ実行)は OS 機能を要するため無効化し、panic = "abort" に設定する。
• エントリポイントは #[no_mangle] extern "C" fn _start() -> !。no_mangle でシンボル名のマングリングを抑止し、extern "C" で C 呼び出し規約を使う。[[concepts/elf-format]] のリンカが期待する _start を提供する。

カスタムターゲット

• target triple <arch>-<vendor>-<os>-<abi> で対象を指定。OS が無い環境用に独自ターゲットを JSON で定義する(--target custom.json)。
• 重要フラグ:
  • disable-redzone: redzone(スタックポインタ最適化で確保される128バイト)を無効化し、割り込みでスタックが破損しないようにする。[[concepts/x86-interrupt-handling]] に必須。
  • features: +/- で命令拡張を制御。SIMD はレジスタ退避コストが高いので無効化、soft-float で浮動小数演算を整数演算でエミュレートする。
• core をカスタムターゲット向けにビルドし直すため、[unstable] build-std = ["core", "compiler_builtins"] を指定(nightly)。

alloc のための extern crate

• no_std でもヒープが欲しい場合は alloc crate を使う。edition 2018 以降でも alloc だけは extern crate alloc; の明示が必要。
• core::alloc::GlobalAlloc trait を実装して #[global_allocator] に登録すると Box/Vec/String が使えるようになる。実装例は [[entities/redox-slab-allocator]](slab)や [[concepts/slab-and-buddy-allocation]]。
• core::alloc::Layout(size, power-of-two な align)が確保要求を表す。
• std 環境では prelude で String/Vec が自動 use されるが no_std + alloc では prelude が無いため、alloc::string::String 等を明示 use する。

関連

• ブートまわりの実装ツールは [[entities/rust-osdev-tooling]]。
• 確保アルゴリズムは [[concepts/slab-and-buddy-allocation]] / [[concepts/malloc-allocator-internals]]。
• 所有権・unsafe は [[concepts/rust-ownership-model]]。