Maestro : un noyau et un système d'exploitation en Rust compatible avec Linux

Qui se veut léger pour être utilisable dans la vie de tous les jours

Maestro, un noyau et un système d'exploitation de type Unix écrit à partir de zéro en Rust. Son objectif est que Maestro soit "léger et suffisamment compatible avec Linux pour être utilisable dans la vie de tous les jours."

Introduction
Un peu d'histoire

Le premier commit du noyau date du 22 décembre 2018, à 3:18 du matin (le meilleur moment pour écrire du code, bien sûr). Il s'agissait à l'origine d'un projet scolaire.

Il a d'abord été implémenté en utilisant le langage C et a continué à l'être pendant environ un an et demi, jusqu'à ce que la base de code devienne trop difficile à garder propre.

À ce moment-là, il a décidé de passer à Rust (son premier projet dans ce langage), qui présentait plusieurs avantages :

• Reprendre le projet depuis le début, en utilisant les leçons tirées des erreurs précédentes
• Être un peu plus innovant que d'écrire un noyau Linux en C. Après tout, il suffit d'utiliser Linux à ce moment-là.
• Utiliser la sécurité du langage Rust pour surmonter certaines difficultés de la programmation du noyau. L'utilisation du système de typage de Rust permet de transférer une partie de la responsabilité de la sécurité de la mémoire du programmeur au compilateur.

Dans le développement du noyau, le débogage est très difficile pour plusieurs raisons :

• La documentation est souvent difficile à trouver, et les implémentations BIOS peuvent être défectueuses (plus souvent qu'on ne le pense).
• Au démarrage, le noyau a un accès total à la mémoire et est autorisé à écrire là où il ne devrait pas (son propre code, par exemple).
• Le dépannage des fuites de mémoire n'est pas facile. Des outils tels que valgrind ne peuvent pas être utilisés
• gdb peut être utilisé avec QEMU et VMWare, mais le noyau peut avoir un comportement différent lorsqu'il est exécuté sur un émulateur ou une machine virtuelle différents. En outre, ces émulateurs peuvent ne pas prendre en charge gdb (par exemple VirtualBox).
• Certaines fonctionnalités du support de gdb dans QEMU ou VMWare sont manquantes (comme Record and Replay) et gdb peut même parfois se planter.

Tous ces problèmes sont autant de raisons d'utiliser un langage à mémoire sûre, afin de les éviter autant que possible.

Globalement, l'utilisation de Rust dans le noyau a permis la mise en place de nombreuses protections. Et c'est peut-être, la meilleure décision prise pour ce projet.


L'état actuel du projet

Maestro est un noyau monolithique, ne supportant pour l'instant que l'architecture x86 (en 32 bits).

À l'heure où ces lignes sont écrites, 135 des 437 appels système de Linux (environ 31 %) sont plus ou moins implémentés. Le projet compte 48 800 lignes de code réparties dans 615 fichiers (tous dépôts confondus, comptés à l'aide de la commande cloc).

Le système d'exploitation comporte actuellement les composants suivants, outre le noyau :

• Solfège : un système de démarrage et un gestionnaire de démons (similaire à systemd, mais plus léger)
• maestro-utils : commandes utilitaires du système
• blimp : un gestionnaire de paquets
• Et d'autres composants disponibles sur github

Jusqu'à présent, les logiciels tiers suivants ont été testés et fonctionnent sur le système d'exploitation :

• musl (bibliothèque standard C)
• bash
• Quelques commandes GNU coreutils telles que ls, cat, mkdir, rm, rmdir, uname, whoami, etc...
• neofetch (une version patchée, puisque le neofetch original ne connaît pas ce système d'exploitation)

Quelles sont les prochaines étapes ?

Le nettoyage de la base de code et l'optimisation des performances sont en cours. Comme le système d'exploitation a commencé comme un projet d'école, son développeur a dû prendre des raccourcis pour le terminer à temps. Mais il est maintenant temps de rembourser la dette technique accumulée.

Quelques fuites de mémoire traînent également et doivent être corrigées. L'optimisation des performances fera probablement l'objet d'articles de blog.

Le prochain pas en avant sera de faire fonctionner pleinement le gestionnaire de paquets sur le système d'exploitation. Pour ce faire, certaines fonctionnalités sont nécessaires :

• La prise en charge des réseaux, qui est actuellement en cours de développement. Elle fera probablement l'objet de nombreux articles
• Le support des bibliothèques partagées. Cela ne fonctionne pas actuellement car cela nécessite de mapper des fichiers directement en mémoire, ce qui n'est pas actuellement supporté par l'implémentation de l'appel système mmap sur le kernel.

Après cela, on pourrait installer (sans douleur) et tester des programmes tels que les compilateurs (gcc/g++, clang, rustc), make, Git, Vim, etc... Et ensuite développer le noyau tout en l'utilisant !

Le développement du noyau suit en grande partie une procédure simple :

• 1 : Exécuter un programme sur le noyau et voir s'il fonctionne correctement
• 2 : S'il ne fonctionne pas, alors :
  
  • 3 : Exécuter le programme en imprimant les appels système et rechercher le premier appel système qui pose problème (non implémenté ou bogué).
  • 4 : Implémentez ou corrigez l'appel système en question.
  • 5 : Passez à l'étape 1
  
  
• 6 : Sinon : Bravo !

Plus il y a de programmes fonctionnant correctement sur le noyau, plus celui-ci devient stable et complet !

Testez-le vous-même !

Il y a deux façons d'installer le système d'exploitation :

• Utiliser un fichier .iso pré-construit (compressé) qu'on peut télécharger ici
• Construire l'ISO soi-même

L'ISO fournit un programme d'installation pour le système d'exploitation. On peut l'utiliser sur QEMU, VMWare ou VirtualBox par exemple.

Source : Maestro - Introduction

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Voir aussi :

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