【Rust】一些在no_std里开发的技巧
本帖最后由 tangptr@126.com 于 2024-11-21 02:37 编辑# 前言
如果是在常规的用户态里玩Rust，那我极不建议放弃使用Rust的标准库。
使用no_std时，一般是因为：
1. 你需要在内核态或其他特殊环境里使用Rust
2. 你需要砍掉CRT依赖（注：Rust标准库几乎完全静态，仅产生CRT类的动态库依赖）
# 使用`no_std`
使用`no_std`时需要在你的crate里根部源码文件(`main.rs`或`lib.rs`)中使用`#!`进行声明。
声明了`no_std`后，意味着你放弃了Rust的`std` crate，但你仍然可以使用`core` crate，很多`std`里的东西也能在`core`里找到，但是像I/O以及线程之类的库就消失了。
## 堆内存
使用`no_std`后，堆内存类型（如`Vec`,`String`,`Box`等）仍然可以在`alloc` crate里找到，但你需要用`extern crate alloc`来声明使用`alloc` crate。
此外你还需要声明一个全局内存分配器（见后文的例子）才能使用堆内存。
## 调试输出
使用`no_std`后，控制台输出的那些宏（如`print!`,`println!`等）也就消失了。但是你仍然能自己实现调试输出的宏（见后文的例子）。
# 使用`windows-sys`库
微软官方同时发布了`windows`库和`windows-sys`库。注意，前者是依赖`std`的！所以当你使用`no_std`时，请使用后者。
## 全局内存分配器
在声明全局内存分配器时，需要声明一个用于分配堆内存的类型，并为其实现`GlobalAlloc`的trait，最后用`#`语句声明其为全局内存分配器。
以Windows为例，我们可以用系统提供的`HeapAlloc`（请不要用`VirtualAlloc`，因为它的分配粒度太大，并且还要走系统调用，每次分配内存都用这个函数就太慢太浪费内存了）：
```Rust
use core::alloc::GlobalAlloc;
use windows_sys::Win32::System::Memory::*;
struct SysAlloc;
unsafe impl GlobalAlloc for SysAlloc
{
unsafe fn alloc(&self, layout: core::alloc:: Layout) -> *mut u8
{
HeapAlloc(GetProcessHeap(),0,layout.size()).cast()
}
unsafe fn dealloc(&self, ptr: *mut u8, _layout: core::alloc:: Layout)
{
HeapFree(GetProcessHeap(),0,ptr.cast());
}
unsafe fn alloc_zeroed(&self, layout: core::alloc:: Layout) -> *mut u8
{
HeapAlloc(GetProcessHeap(),HEAP_ZERO_MEMORY,layout.size()).cast()
}
unsafe fn realloc(&self, ptr: *mut u8, _layout: core::alloc:: Layout, new_size: usize) -> *mut u8
{
HeapReAlloc(GetProcessHeap(),0,ptr.cast(),new_size).cast()
}
}
# static GLOBAL_ALLOCATOR:SysAlloc=SysAlloc;
```
注意，`alloc_zeroed`和`realloc`是可选的特征方法，可以不实现。
## 格式化字符串与输出
和C不同，Rust自己的ABI不允许函数有可变的参数数量，但是宏允许可变的参数数量！最常用的`print!`, `println!`等等其实都是宏，完全可以自己实现：
```Rust
# macro_rules! print
{
($($args:tt)*) =>
{
internal_print(format_args!($($args)*))
};
}
# macro_rules! println
{
()=>
{
print!("\n")
};
($($args:tt)*)=>
{
print!("{}\n",format_args!($($args)*))
};
}
```
这个`internal_print`函数需要自己实现。这个`format_args!`宏是rust内置的宏，即使是在`no_std`里也可以用。它会返回一个(https://doc.rust-lang.org/core/fmt/struct.Arguments.html)的类型。
它虽然实现了一个`as_str`的方法，但这个方法很鸡肋：只有当优化器可以直接格式化这个字符串的时候才能返回字符串（比如`print!("{}+{}={}",1,2,3);`一定会被优化器优化成输出`1+2=3`），否则一定会返回`None`。
这里可以定义一个用于接收格式化字符串的类型，并为其实现[`Write` trait](https://doc.rust-lang.org/core/fmt/trait.Write.html)。
```Rust
use core::fmt;
struct FormatBuffer
{
buffer:,
used:usize
}
impl Default for FormatBuffer
{
fn default()->Self
{
Self
{
buffer:,
used:0
}
}
}
impl fmt::Write for FormatBuffer
{
fn write_str(&mut self, s: &str) -> fmt::Result
{
let remainder=&mut self.buffer;
let current=s.as_bytes();
if remainder.len()<current.len()
{
return Err(fmt::Error);
}
remainder[..current.len()].copy_from_slice(current);
self.used+=current.len();
Ok(())
}
}
```
接下来就可以实现`internal_print`函数了！
```Rust
fn internal_print(args:fmt::Arguments)
{
let mut w=FormatBuffer::default();
let r=fmt::write(&mut w,args);
if r.is_ok()
{
let b=&w.buffer;
let h=unsafe{GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE)};
if !h.is_null()
{
let mut size:u32=w.used as u32;
let _=unsafe{WriteConsoleA(h,b.as_ptr(),size,&raw mut size,null())};
}
}
}
```
注意：虽然你可以直接在实现`Write` trait的时候就直接输出到控制台，但你会遇到竞态条件的问题。
# 入口函数
如果你的程序不是库，则需要同时用`#!`来标记没有Rust可识别的入口函数。
在MSVC中，以控制台为例，默认的入口函数是`mainCRTStartup`，但你也可以给链接器加上`/ENTRY`参数来修改入口函数名。
声明入口函数时，需要用`#`取消rust编译器mangle函数符号的行为，并用`extern "C"`标记这个函数使用C的ABI。
```Rust
# extern "C" fn start()
{
// Entry point starts here.
}
```
与此同时，你需要在crate的根目录里创建一个`build.rs`文件（和`Cargo.toml`文件平级），来给链接器增加参数：
```Rust
fn main()
{
println!("cargo:rustc-link-arg=/ENTRY:start");
}
```
# 使用外部库
当你使用外部库时，需要确认它们是否支持`no_std`的环境。一般而言，支持`no_std`的crate会在简介里就强调自己支持`no_std`。
此外还需要按照它们的说明来进行配置。比如指定`default-feature`为`false`。每个crate各不相同，有的可能无需配置就可以支持`no_std`了。
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