[oscamp 2025A] 石家誉工作进展

[muou000]

现在我正在为 StarryOS 添加 vDSO 支持。
Repository: https://github.com/muou000/StarryOS/tree/feat/vdso

[muou000]

2025.11.17~2025.11.23 工作总结

1. 为starry-process添加更多测试，包含了thread管理与exit,和session.terminal设置相关测试。

2. 为StarryOS初步实现了vDSO，具体细节如下：

   • 实现了starry-vdso crate，根据架构将对应的vdso.so文件嵌入到内核中。
     遇到的问题：在starry-vdso中进行页对齐后，实际在starryos中并不是对齐的。
     解决方法：在starryos中，将vDSO数据复制到新分配的页面中，保持相同的页内偏移。

   • 设计了VdsoTimestamp结构存储秒和纳秒时间戳；VdsoClock用来存储序列计数器，时钟模式，转换参数和基础时间数组等；vdsodata存储高精度时钟与粗精度时钟以及时钟精度等，与linux标准符合。

   • 仿照linux实现了时间转换算法。

   • 时间更新机制目前仅实现了TSC和NONE模式，实现了序列锁进行无锁读取。

   • 根据架构不同映射不同数量的VVAR页。

   • 加载时地址随机化，在0x7f00_0000附近随机偏移

   • 在api层初始化时调用init_vdso_data()，定时器中断回调中调用update_vdso_data()保持时间同步。

TODO

1. 根据pr中的comments继续完善当前vDSO内容

2. 尝试将vdso迁移至starry-vdso，对StarryOS提供接口

3. 将starry-signal提供的rt_sigreturn接入vdso

[muou000]

2025.11.24~2025.11.30 工作总结

1. 将vdso尽可能拆分到独立的crate:starry-vdso

   • 使用axplat绕过对axhal的依赖
   • 使用log替代axlog
   • 使用alloc替代axalloc的使用

2. 使用rand和rand-chacha以在no_std环境下使用安全的随机数生成替代自行实现的随机数生成器

3. 将所有对非原子字段的写入移动到对应的原子 cycle_last.store(...) 之前，保证在 seqcount 的写入前先更新非原子数据，再通过写入 cycle_last来更新

4. 更新分支与StarryOS:main一致后出现x86_64架构下编译失败（zerocopy）问题，原因：使用的rand-chacha依赖于ppv-lite86，而ppv-lite86依赖于zerocopy，于是引入了zerocopy v0.8.30，而其在项目中会出现如图错误：
   解决方法：用rand_pcg替代rand_chacha

5. 使用enum编码clockmode替代原来使用const常量编码的方式。

6. 目前loongarch64和x86已可以正常调用vdso.

7. 修改vvar映射逻辑，原来为从vdso起始页开始向前映射n页，修改为映射vdso起始页向前偏移的第n页。

目前还存在的问题

目前riscv64架构下，musl libc会回退至syscall，而glibc static编译版本可以跳转至vdso

TODO

1. 尝试进一步拆分load_vdso_data及相关函数，放在starry-vdso中

2. 实现PVCLOCK clockmode

3. 将rt_sigreturn接入vdso

4. 解决aarch64架构下直接调用vdso也会回退到syscall的问题（目前已确认是vdsodata不正确导致的）

[muou000]

2025.12.1~2025.12.7

1. aarch64架构下测试成功：修改了aarch64架构下的vdsodata结构，配置了CNTKCTL_EL1寄存器，以允许用户态访问CNTVCT_EL0获取时间。

2. 已确认四种架构下clock_gettime, gettimeofday, clock_getres调用vdso均通过测试（riscv64下musl对vdso支持较差，不能正常调用vdso，而是回退到syscall上）

3. 将地址随机化功能等移动到starry-vdso中

4. 将clockmode类型移至config.rs中，重构了update及相关函数

5. 提交PR，将vdso相关功能并入主项目。

6. 将原starry-vdso同步到Starry-OS下的starry-vdso仓库中

7. 为starry-vdso添加了CI(执行cargo fmt和cargo clippy --all-targets --all-features -- -D warnings)

8. 根据老师的意见和建议，参考axcpu的结构重新组织了starry-vdso的代码结构

TODO

1. 将rt_sigreturn接入vdso

2. 实现x86架构下的PVCLOCK mode

[muou000]

2025.12.8-2025.12.14

1. 重新编译了四个架构下linux最新版本的vdso.so

2. x86架构下修改后出现如图问题，在初始化time后出现极大值，怀疑是结构还存在问题，实际上可能是编译缓存
   解决方法：cargo clean 后重新编译，测试成功

3. riscv64架构下通过libc调用还是无法跳转到vdso上

4. 编译aarch64架构时出现如图问题
   解决方法：将StarryOS主线更改同步到feat/vdso中

5. 已基本完成vdso.so替换后的修改工作，但是x86编译似乎默认启用溢出保护，导致与另外三个架构的VdsoData结构有所不同，我选择以条件编译方式区分x86和其他架构，而不是关闭溢出保护重新编译。

6. 虽然四种架构的vdso time数据页结构相同，由于x86独有的PVCLOCK模式，暂时还是区分架构，以便后续开发。

7. 实现了PVCLOCK模式，但是似乎qemu因为时钟不稳定，清除了标志位，导致回退至syscall，无法确认实现是否存在某些问题，默认不启用。

TODO

1. 将rt_sigreturn接入vdso

[muou000]

2025.12.15-2025.12.21

1. 找到了PVClock模式下fallback至syscall的原因：qemu未启用kvm模式，但是在启用后出现了如图段错误：
   ai解释为
   

2. 添加检测是否支持PVCLOCK，如果不支持会默认使用TSC模式。

3. 进一步拆分了StarryOS中对于vdso的映射部分，现在将映射前处理逻辑全部移至starry-vdso中，StarryOS仅需提供三段映射的闭包

4. 初步实现了将rt_sigreturn接入vdso

TODO

1. 进一步检查riscv64架构下libc走syscall的原因

2. 完善__vdso_rt_sigreturn

[muou000]

2025.12.22-2025.12.24

1. 为starry-signal提交了PR以更好配合vdso跳板页的设置.

2. 将vdso对x86架构下的getcpu功能支持提交到starry-vdso仓库中(测试不完全，可能存在问题）

3. 为starry-vdso实现了获取__vdso_rt_sigreturn地址的功能，以设置跳板页.

4. 修改了StarryOS,接入使用了vdso提供的跳板页

[muou000]

项目阶段工作总结

1. 完善starry-process单元测试

为starry-process模块补充了完整的单元测试覆盖，重点针对线程（thread）和终端（terminal）的set/unset操作添加了测试用例。这些测试确保了进程管理模块在多线程环境和终端交互场景下的正确性和稳定性，提升了代码质量和可维护性。

PR地址: test: add tests for process and session #3

2. 实现vdso时间相关syscall加速机制

针对操作系统中频繁调用的时间相关系统调用（如clock_gettime、gettimeofday等），实现了基于vDSO的加速方案，显著降低了系统调用开销。

实现细节：

• 在starry-vdso仓库中实现了完整的vDSO功能框架
• 通过编译Linux内核，提取了x86_64、aarch64、riscv64、loongarch64四种架构的vdso.so文件，确保与Linux目前最新的vDSO实现保持兼容
• 参考了starry-signal的设计模式，按架构分层组织代码结构，实现了vDSO数据页分架构的组装，从而支持架构特定功能（如x86架构的getcpu和pvclock时钟模式）
• 通过vDSO机制，应用程序可在用户态直接读取时间信息，无需陷入内核态，消除了上下文切换开销，显著提升了时间查询性能

3. 集成vDSO信号跳板页到StarryOS

将vDSO提供的信号处理跳板页集成到StarryOS主系统中，完善了信号处理机制。

主要工作：

• 修改了starry-signal模块，将信号恢复器（restorer）改为原子类型（Atomic），实现了线程安全的restorer地址更新机制，为使用vDSO信号跳板页奠定了基础。PR地址: feat: preparations of using vdso for sigreturn trampoline #12
• 为starry-vdso添加了__vdso_rt_sigreturn符号的导出功能，使StarryOS能够正确获取并使用vDSO提供的信号返回跳板代码。当无法找到符号地址时，系统会回退到默认地址0x4001 0000，确保系统稳定性。

可以继续改进的地方

1. 目前符号地址偏移是以硬编码的方式存放在starry-vdso中的

2. aarch64架构下跳板页跳转还是使用了默认的地址作为跳板页地址(也不是原来的0x40010000,可能是某种回退机制，或是其他原因）