今天，我們來看 Rust 在作業系統開發中的應用。Rust 的安全性、效能和底層控制能力使其成為開發作業系統核心組件、驅動程式和系統級應用程式的理想選擇，Windows開始使用Rust來取代原有的核心補丁，而Linux則把Rust放入系統裡面，未來Rust在作業系統方面佔比會越來越大。

1. 使用 Rust 開發作業系統核心

Rust 的零成本抽象和記憶體安全特性使其非常適合開發作業系統核心。以下是一個極簡的核心範例：

#![no_std]
#![no_main]

use core::panic::PanicInfo;

#[no_mangle]
pub extern "C" fn _start() -> ! {
    loop {}
}

#[panic_handler]
fn panic(_info: &PanicInfo) -> ! {
    loop {}
}

這個範例展示了一個最基本的 Rust 核心，它不依賴標準函式庫（no_std）並定義了自己的入口點（_start）。

2. 記憶體管理：實現簡單的分配器

在作業系統中，記憶體管理是關鍵組件之一。以下是一個簡單的記憶體分配器實現：

use core::alloc::{GlobalAlloc, Layout};
use core::cell::UnsafeCell;

struct SimpleAllocator {
    heap_start: UnsafeCell<usize>,
    heap_end: usize,
}

unsafe impl GlobalAlloc for SimpleAllocator {
    unsafe fn alloc(&self, layout: Layout) -> *mut u8 {
        let start = self.heap_start.get();
        let aligned_start = (*start + layout.align() - 1) & !(layout.align() - 1);
        let new_start = aligned_start + layout.size();
        if new_start <= self.heap_end {
            *start = new_start;
            aligned_start as *mut u8
        } else {
            core::ptr::null_mut()
        }
    }

    unsafe fn dealloc(&self, _ptr: *mut u8, _layout: Layout) {
        // 簡單起見，這裡不實現解除分配
    }
}

#[global_allocator]
static ALLOCATOR: SimpleAllocator = SimpleAllocator {
    heap_start: UnsafeCell::new(0x_1000_0000),
    heap_end: 0x_2000_0000,
};

3. 實現基本的裝置驅動程式

以下是一個簡單的 LED 驅動程式範例：

use core::ptr::{read_volatile, write_volatile};

const LED_REGISTER: *mut u32 = 0x4000_0000 as *mut u32;

struct LedDriver;

impl LedDriver {
    pub fn new() -> Self {
        LedDriver
    }

    pub fn turn_on(&self) {
        unsafe { write_volatile(LED_REGISTER, 1) }
    }

    pub fn turn_off(&self) {
        unsafe { write_volatile(LED_REGISTER, 0) }
    }

    pub fn is_on(&self) -> bool {
        unsafe { read_volatile(LED_REGISTER) != 0 }
    }
}

4. 實現簡單的行程排程器

以下是一個基本的協作式多工排程器實現：

use core::future::Future;
use core::pin::Pin;
use core::task::{Context, Poll};
use alloc::collections::VecDeque;

struct Task {
    future: Pin<Box<dyn Future<Output = ()>>>,
}

struct Scheduler {
    tasks: VecDeque<Task>,
}

impl Scheduler {
    fn new() -> Self {
        Scheduler {
            tasks: VecDeque::new(),
        }
    }

    fn add_task<F>(&mut self, future: F)
    where
        F: Future<Output = ()> + 'static,
    {
        self.tasks.push_back(Task {
            future: Box::pin(future),
        });
    }

    fn run(&mut self) {
        while let Some(mut task) = self.tasks.pop_front() {
            let waker = noop_waker();
            let mut context = Context::from_waker(&waker);
            match task.future.as_mut().poll(&mut context) {
                Poll::Ready(()) => {}
                Poll::Pending => self.tasks.push_back(task),
            }
        }
    }
}

fn noop_waker() -> Waker {
    // 實現一個不做任何事的 Waker
    // 在實際應用中，這應該實現真正的喚醒機制
}

5. 實現基本的檔案系統

以下是一個極簡的內存檔案系統實現：

use alloc::string::String;
use alloc::vec::Vec;
use alloc::collections::BTreeMap;

struct File {
    content: Vec<u8>,
}

struct FileSystem {
    files: BTreeMap<String, File>,
}

impl FileSystem {
    fn new() -> Self {
        FileSystem {
            files: BTreeMap::new(),
        }
    }

    fn create_file(&mut self, name: &str, content: Vec<u8>) {
        self.files.insert(String::from(name), File { content });
    }

    fn read_file(&self, name: &str) -> Option<&Vec<u8>> {
        self.files.get(name).map(|file| &file.content)
    }

    fn write_file(&mut self, name: &str, content: Vec<u8>) -> bool {
        if let Some(file) = self.files.get_mut(name) {
            file.content = content;
            true
        } else {
            false
        }
    }

    fn delete_file(&mut self, name: &str) -> bool {
        self.files.remove(name).is_some()
    }
}

結論

Rust 在作業系統開發中展現出了巨大的潛力。它的安全性保證、高效能和底層控制能力使其成為開發各種系統級組件的理想選擇，從核心到驅動程式，再到檔案系統和排程器。Rust 的強大型別系統和記憶體安全特性有助於開發更加安全和可靠的系統軟體，同時保持高效能，雖然作業系統類的工作機會沒有網路應用來得多，但Rust也可以開發API和使用WebAssembly，確實是一款值得先期投入的程式語言。