Die dritte Version der Patches für den Linux-Kernel mit Unterstützung für die Programmiersprache Rust

Miguel Ojeda, der Autor des Projekts Rust-for-Linux, hat den Entwicklern des Linux-Kernels eine dritte Variante von Komponenten zur Entwicklung von Gerätetreibern in Rust zur Prüfung vorgeschlagen. Die Unterstützung von Rust wird als experimentell angesehen, wurde jedoch bereits für die Aufnahme in den linux-next-Zweig genehmigt. Die Entwicklung wird von Google und der ISRG (Internet Security Research Group) finanziert, die das Projekt Let’s Encrypt ins Leben gerufen hat und die Förderung von HTTPS sowie die Entwicklung von Technologien zur Verbesserung der Internetsicherheit unterstützt.

Wir möchten daran erinnern, dass die vorgeschlagenen Änderungen die Möglichkeit bieten, Rust als zweite Sprache zur Entwicklung von Treibern und Modulen im Kernel zu verwenden. Die Rust-Unterstützung wird als Option präsentiert, die standardmäßig nicht aktiviert ist und nicht dazu führt, dass Rust zu den obligatorischen Build-Abhängigkeiten im Kernel hinzugefügt wird. Der Einsatz von Rust zur Treiberentwicklung ermöglicht es, mit minimalem Aufwand sichere und qualitativ hochwertige Treiber zu erstellen, die von Problemen wie dem Zugriff auf Speicherbereiche nach deren Freigabe, der Dereferenzierung von Nullzeigern und Pufferüberläufen befreit sind.

Die sichere Arbeit mit Speicher wird in Rust während der Kompilierung durch Überprüfung von Referenzen, Verfolgung des Eigentums an Objekten und Berücksichtigung der Lebensdauer von Objekten (Sichtbarkeitsbereich) sowie durch die Beurteilung der Korrektheit des Zugriffs auf den Speicher zur Laufzeit des Codes gewährleistet. Rust bietet auch Mittel zum Schutz vor ganzzahligen Überläufen, erfordert die zwingende Initialisierung von Variablen vor deren Verwendung, behandelt Fehler in der Standardbibliothek besser, wendet das Konzept der Immutabilität (unveränderlich) auf Referenzen und Variablen standardmäßig an und bietet eine starke statische Typisierung zur Minimierung logischer Fehler.

In der neuen Version der Patches wurden die Anmerkungen, die während der Diskussion der ersten und zweiten Patch-Versionen geäußert wurden, weiter bearbeitet. Die auffälligsten Änderungen sind:

• Es wurde auf die Verwendung des stabilen Compilers Rust 1.57 als Referenz umgestellt, und es wurde eine Bindung an die stabilisierte Version der Programmiersprache Rust 2021 gewährleistet. Zuvor waren die Patches an die Beta-Branch von Rust gebunden und verwendeten einige Funktionen der Sprache, die in die Kategorie instabil fallen. Der Umstieg auf die Spezifikation Rust 2021 hat es ermöglicht, die Arbeit an der Abschaffung der Verwendung solcher instabilen Funktionen in den Patches zu initiieren, wie const_fn_transmute, const_panic, const_unreachable_unchecked, core_panic und try_reserve.
• Die Entwicklung der in den Patches enthaltenen Rust-Bibliothek alloc wurde fortgesetzt, die so modifiziert wurde, dass die Speicherzuweisungsfunktionen keine 'panic'-Zustände mehr generieren, wenn Fehler wie Speichermangel auftreten. In der neuen Version wurden die Optionen 'no_rc' und 'no_sync' implementiert, um Funktionen zu deaktivieren, die im Rust-Code für den Kernel nicht verwendet werden, wodurch die Bibliothek modularer wird. Die Zusammenarbeit mit den Hauptentwicklern von alloc, die darauf abzielt, erforderliche Änderungen für den Kernel in die Hauptbibliothek zu integrieren, wird fortgesetzt. Die Option 'no_fp_fmt_parse', die für den Betrieb der Bibliothek auf Kernel-Ebene erforderlich ist, wurde in die grundlegende Rust-Bibliothek (core) integriert.
• Der Code wurde bereinigt, um mögliche Warnungen des Compilers beim Bauen des Kernels im CONFIG_WERROR-Modus zu vermeiden. Beim Kompilieren des Codes in Rust wurden zusätzlich diagnostische Modi des Compilers und Warnungen des Linters Clippy aktiviert.
• Abstraktionen für die Nutzung im Rust-Code von Seqlock-Sperren, Callback-Aufrufen zur Stromverwaltung, I/O-Speicher (readX/writeX), Interrupt-Handler sowie Threads, GPIO, Gerätezugriff, Treiber und Anmeldedaten wurden vorgeschlagen.
• Die Entwicklungswerkzeuge für Treiber wurden mit dem Einsatz von verschiebbaren Mutexen, Bit-Iteratoren, vereinfachten Wrappern für Zeiger, verbesserter Fehlersdiagnose und einer infrastructure unabhängig von der Datenschnittstelle erweitert.
• Die Arbeit mit Referenzen wurde durch einen vereinfachten Typ Ref verbessert, der auf dem Backend refcount_t basiert und die gleichnamige Kernel-API zur Zählung von Referenzen verwendet. Die Unterstützung der Typen Arc und Rc, die in der Standardbibliothek alloc bereitgestellt werden, wurde entfernt und ist im Kernel-Code nicht mehr verfügbar (für die Bibliothek sind Optionen vorbereitet, um diese Typen zu deaktivieren).
• In die Patches wurde eine Variante des PL061 GPIO-Treibers aufgenommen, die in Rust neu geschrieben wurde. Das Besondere an diesem Treiber ist, dass seine Implementierung zeilenweise dem bestehenden GPIO-Treiber in C entspricht. Für Entwickler, die sich mit der Erstellung von Treibern in Rust vertraut machen möchten, wurde ein zeilenweiser Vergleich vorbereitet, der zeigt, in welche Rust-Konstrukte der C-Code umgesetzt wurde.
• Der rustc_codegen_gcc, das Backend rustc für GCC, wurde in die Hauptcodebasis von Rust aufgenommen, das die Möglichkeit einer vorausschauenden (AOT) Kompilierung mit der Bibliothek libgccjit realisiert. Bei entsprechender Weiterentwicklung des Backends wird es möglich sein, den im Kernel verwendeten Rust-Code mit GCC zu kompilieren.
• Zusätzlich zu den Firmen ARM, Google und Microsoft hat auch Red Hat Interesse an der Nutzung der Programmiersprache Rust im Linux-Kernel bekundet. Wir erinnern daran, dass Google direkt das Projekt Rust for Linux unterstützt, eine neue Implementierung des Inter-Process-Communication-Mechanismus Binder in Rust entwickelt und die Möglichkeit einer Neuentwicklung verschiedener Treiber in Rust in Betracht zieht. Microsoft hat mit der Implementierung von Treibern für Hyper-V in Rust begonnen. ARM arbeitet an der Verbesserung der Rust-Unterstützung für Systeme auf Basis von ARM-Prozessoren. IBM hat die Unterstützung von Rust im Kernel für PowerPC-Systeme implementiert.

Quelle: opennet.ru