Linux 0.11 用原生 Rust 重写，已在 QEMU 中启动

背景

Linux 0.11 是 Linux 内核的早期版本，于 1991 年发布，是 Linux 发展史上一个重要的里程碑。它体积小巧、结构清晰，常被用作操作系统教学的经典案例。然而，其代码完全使用 C 语言和少量汇编编写，在现代工程实践中存在类型安全、内存管理等方面的挑战。近年来，Rust 语言因其内存安全、无垃圾回收、与现代编程范式契合等特性，在系统编程领域备受关注。来自开源社区的项目 linux-0.11-rs 正是将这一经典 30 年前的内核用“地道”的 Rust 从头重写，并能够在 QEMU 模拟的 i386 硬件上启动，运行一个自包含的 Unix 风格用户空间环境。

核心内容

该项目对 1991 年的 Linux 0.11 内核进行了现代 Rust 重写，保留了原始系统的语义（即“做什么”），但重新设计了“如何表达”：更强的类型系统、更清晰的模块边界、无处不在的符合 Rust 习惯的抽象。内核可在 QEMU 模拟的 i386 硬件上启动，运行完整的 init → shell → coreutils 栈，并附带构建工具，一条命令即可生成可启动的磁盘镜像。

内核特性

• 实现了 Linux 0.11 的大部分功能：进程管理、带请求分页和写时复制（CoW）的虚拟内存、Minix v1 文件系统、ATA 磁盘驱动、VGA + PS/2 控制台、8250 串口控制台、TTY 层、信号处理以及完整的系统调用表。

用户空间 Rust 标准库

• 提供了一个名为 user_lib 的 Rust 用户空间库，其公开接口模仿了 std::{fs, io, path, env, process, time}，使得用户程序写起来像普通 Rust 代码，而非直接与系统调用打交道。

真实的用户空间程序

• 包含 80 多个 coreutils 以及一个手写的 POSIX 子集 shell（sh），支持管道、控制流、函数、通配符、命令和算术替换、交互式行编辑器（带 Tab 补全和历史记录）。

一键构建镜像

• tools/build-disk.sh 脚本编译所有用户程序，按 Unix 风格文件系统布局，打包成可启动的磁盘镜像。

配套镜像工具

• mbrkit 和 miniximg 是独立的 crate，可单独用于任何涉及 MBR 或 Minix v1 镜像的项目。

开发环境

• 包含开发容器（Devcontainer）配置：克隆仓库后，在 VS Code 中点击“Reopen in Container”，即可运行 make run。

构建与运行

• 构建所有用户程序并创建磁盘镜像：tools/build-disk.sh
• 构建内核并在 QEMU 中启动：
  • cd kernel && make run（VGA 控制台）
  • cd kernel && make run-console（串口控制台，-nographic）
• 启动后进入 /root 下的 shell 提示符，可执行 ls /bin 查看已安装工具，演示算术扩展、for 循环、通配符、递归函数、Tab 补全、历史命令等。

外部依赖

• 开发者容器外需要：最新的 Rust nightly（版本在 rust-toolchain.toml 中固定）、qemu-system-i386、x86_64-linux-gnu-* 交叉工具链，以及本地镜像/测试工具（通过 tools/install-tools.sh 安装 mbrkit、miniximg、ktest）。

端到端测试

• 在 QEMU 下启动内核，通过串口驱动执行 .ktest 脚本。可使用 tools/run-tests.sh 运行所有测试，或指定测试套件/测试集。

项目结构

• kernel/：内核本身
• user_lib/：std 风格的用户空间库
• user_lib_macros/：proc-macro 宏 #[user_lib::main]
• user_program/：约 80 个 coreutils 和 sh shell
• ktest/：端到端测试运行器，通过串口驱动 QEMU
• mbrkit/：MBR 磁盘镜像 CLI（也可在 crates.io 上获取）
• miniximg/：Minix 文件系统镜像 CLI 和库
• rootfs/：磁盘镜像内容模板（/etc、/root 等）
• tools/：开发者脚本（build-disk.sh、run-tests.sh 等）
• tutorial/：mdbook 形式的教学文档（进行中）
• .devcontainer/：即开即用的开发环境

当前状态

• 内核：相对于 Linux 0.11 功能基本完整，有意不包含软盘支持；当前工作集中在打磨和工具链完善。
• 用户库：覆盖了 shell 和 coreutils 当前所需的功能。
• 用户空间：可用于真实的交互式工作。
• 教程：早期草稿，长期计划是完整的从零构建教学指南。

致谢

• 感谢 yuan-xy/Linux-0.11 提供原始 Linux 0.11 内核源码，作为开发时的重要参考。
• 许多部分也参考了 rcore-os/rCore-Tutorial-v3。

关键要点

• 项目使用现代 Rust 从头重写 Linux 0.11 内核，而非对现有 C 代码的简单绑定或翻译。
• 强调“地道”的 Rust 表达：更强的类型安全、清晰的模块边界、符合 Rust 习惯的抽象。
• 内核包含进程管理、虚拟内存（分页与 CoW）、Minix v1 文件系统、ATA/VGA/PS2/串口驱动、TTY、信号及完整系统调用表。
• 提供独立的 Rust 用户空间库 user_lib，接口模仿标准库，使编写用户程序如同编写普通 Rust 应用。
• 自带 80 多个 coreutils 和一个功能丰富的 POSIX 子集 shell，支持管道、控制流、函数、通配符、命令/算术替换、交互式编辑（Tab 补全、历史命令）。
• 一键构建工具 tools/build-disk.sh 编译所有程序并生成可启动磁盘镜像。
• 配套工具 mbrkit 和 miniximg 可独立用于其他项目。
• 提供开发容器配置，极大降低了环境搭建门槛。
• 端到端测试框架通过 QEMU 串口驱动自动化测试，支持按套件、测试集运行。
• 项目结构清晰，分为内核、用户库、用户程序、测试、工具、文档等模块。
• 当前内核功能基本完整，软盘支持有意排除；用户空间可实际交互使用。
• 教程文档以 mdbook 形式编写，计划覆盖从零构建的全过程。

意义与影响

• 该项目是操作系统内核重写的一个示范性工程，展示了 Rust 在系统底层开发中的能力，尤其是内存安全与零成本抽象在传统内核领域的应用。
• 保留了 Linux 0.11 的经典语义，同时通过 Rust 的类型系统和所有权模型消除了大量内存安全漏洞（如空指针、缓冲区溢出等），为研究早期操作系统设计和现代安全编程提供了实践参考。
• 项目提供了一整套自包含的构建、测试