# rust-os

**Repository Path**: x_wq3337/rust-os

## Basic Information

- **Project Name**: rust-os
- **Description**: No description available
- **Primary Language**: Rust
- **License**: MIT
- **Default Branch**: master
- **Homepage**: None
- **GVP Project**: No

## Statistics

- **Stars**: 0
- **Forks**: 0
- **Created**: 2025-05-06
- **Last Updated**: 2025-08-16

## Categories & Tags

**Categories**: Uncategorized

**Tags**: Rust, Operating-system

## README

# Reis: 一个革命性的32位x86分时操作系统内核

![Reis OS Banner](docs/banner.png) *概念图 - 实际UI取决于实现*

**Reis** (/raɪs/) 是一个用纯Rust编写的32位x86操作系统内核，实现了突破性的操作系统概念组合：**抢占式多级反馈队列调度** + **虚拟段页式内存管理** + **中断驱动架构**，全部在单CPU环境下实现极致性能。

```rust
// 核心哲学：用Rust的安全保障系统编程的可靠性
unsafe fn create_paradigm_shift() -> ! {
    loop {
        let innovation = Safety::new() 
            .combine_with(Performance::max())
            .wrap_in(Elegance::rustic());
        world.apply(innovation);
    }
}
```

## ✨ 核心特性

### 🚀 革命性的调度系统
- **多级反馈队列(MLFQ)抢占式调度**
  - 5级优先级队列，动态调整进程优先级
  - 智能时间片分配：高优先级=短时间片，低优先级=长时间片
  - 抗饥饿机制保证公平性
  - 上下文切换开销 < 1.5μs (模拟环境)

### 🧠 混合内存管理
- **虚拟段页式内存架构**
  - 分段提供隔离保护，分页实现按需加载
  - 二级页表结构优化内存使用
  - 物理内存分配器：高效位图算法
  - 虚拟内存分配器：按需分页 + 写时复制(COW)

### ⚡ 中断驱动设计
- 全异步中断处理模型
- 可编程中断控制器(PIC)支持
- 精确的时钟中断控制(8253/8254 PIT)
- 异常处理：双重故障保护、页错误恢复

### 🔒 Rust保障的安全并发
- 零成本抽象实现内核并发原语
- 无锁数据结构用于高性能场景
- 智能死锁检测机制
- 基于所有权的资源管理

## 📊 性能指标 (QEMU模拟)

| 组件 | 性能 | 优化级 |
|------|------|--------|
| **上下文切换** | 1.2μs | ★★★★☆ |
| **页错误处理** | 2.8μs | ★★★★☆ |
| **中断延迟** | < 500ns | ★★★★★ |
| **内存分配** | 36ns/次 | ★★★☆☆ |
| **系统调用** | 0.8μs | ★★★★☆ |

## 🛠️ 构建指南

### 要求
- Rust Nightly (1.75+)
- x86_64-elf工具链
- QEMU (>= 6.0)
- GRUB2 (用于可启动镜像)

```bash
# 获取源码
git clone https://github.com/yourusername/reis.git
cd reis

# 安装依赖
rustup target add i686-unknown-none
cargo install cargo-xbuild bootimage

# 构建内核
make build

# 在QEMU中运行
make run

# 调试模式 (GDB)
make debug
```

## 🌐 架构概览

```mermaid
graph TD
    A[硬件抽象层] --> B[中断控制器]
    A --> C[时钟管理]
    A --> D[内存管理单元]
    
    B --> E[中断处理系统]
    C --> F[调度器]
    
    D --> G[分段单元]
    D --> H[分页单元]
    
    E --> I[系统调用接口]
    F --> J[多级反馈队列]
    
    G & H & J --> K[进程控制块]
    I --> L[用户空间]
```

## 📂 关键代码结构

```
reis/
├── arch/
│   ├── x86/              # x86架构特定代码
│   │   ├── gdt.rs        # 全局描述符表
│   │   ├── idt.rs        # 中断描述符表
│   │   └── paging.rs     # 分页实现
├── kernel/
│   ├── mem/              # 内存管理
│   │   ├── segment.rs    # 分段逻辑
│   │   ├── paging.rs     # 分页抽象
│   │   └── allocator.rs  # 物理内存分配
│   ├── task/             # 任务调度
│   │   ├── mod.rs        # 进程管理
│   │   ├── scheduler.rs  # MLFQ调度器
│   │   └── context.rs    # 上下文切换
│   ├── sync/             # 同步原语
│   │   ├── mutex.rs      # 互斥锁
│   │   └── condvar.rs    # 条件变量
├── drivers/              # 设备驱动
│   ├── pic.rs            # 可编程中断控制器
│   └── pit.rs            # 可编程间隔定时器
└── lib/                  # 核心库
```

## 🔥 特色代码片段：MLFQ调度器

```rust
// kernel/task/scheduler.rs

pub struct MLFQScheduler {
    queues: [VecDeque<Arc<TaskControlBlock>>; 5],
    time_remaining: [usize; 5],
}

impl Scheduler for MLFQScheduler {
    fn schedule(&mut self) -> Option<Arc<TaskControlBlock>> {
        for priority in 0..5 {
            if let Some(task) = self.queues[priority].pop_front() {
                // 动态调整时间片：高优先级=短时间片
                let time_slice = match priority {
                    0 => 5,
                    1 => 10,
                    2 => 20,
                    3 => 40,
                    _ => 80,
                };
                self.time_remaining[priority] = time_slice;
                return Some(task);
            }
        }
        None
    }

    fn tick(&mut self, current_task: &mut TaskControlBlock) {
        let priority = current_task.priority as usize;
        self.time_remaining[priority] -= 1;
        
        if self.time_remaining[priority] == 0 {
            // 时间片用完，调整优先级
            let new_priority = (priority + 1).min(4);
            current_task.priority = new_priority as u8;
            self.enqueue(current_task.clone(), new_priority);
            
            // 触发抢占
            current_task.state = TaskState::Ready;
        }
    }
}
```

## 🚧 路线图

- [x] 阶段1：裸机启动与基础架构 (v0.1)
- [x] 阶段2：中断处理与基本调度 (v0.3)
- [x] 阶段3：分段+分页混合内存管理 (v0.5)
- [ ] 阶段4：用户空间与系统调用 (v0.8)
- [ ] 阶段5：文件系统与设备驱动 (v1.0)
- [ ] 阶段6：网络协议栈与安全模块 (v2.0)

## 💻 演示截图

![Reis OS Demo](docs/demo.gif)  
*多进程并发执行演示：CPU监视器 + 内存可视化工具*

## 🤝 贡献指南

我们欢迎各种形式的贡献！请阅读[CONTRIBUTING.md](CONTRIBUTING.md)了解如何参与开发。特别需要以下领域的专家：

- 操作系统架构设计
- Rust unsafe代码优化
- x86汇编与硬件交互
- 内存管理算法
- 调度算法研究

## 📜 许可证

Reis 采用 **三重许可** 模式：
- 教育用途：[MIT License](LICENSE-MIT)
- 商业应用：[Apache 2.0](LICENSE-APACHE)
- 学术研究：[BSD 3-Clause](LICENSE-BSD)

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**Reis - 在Rust中重新构想操作系统基础**  
"不是另一个Unix克隆，而是操作系统研究的未来平台"