at C++勉強会 in 広島

1. C++でできる！OS自作入門
OS入門へのいざない
C++勉強会in広島
@uchan_nos

2. そもそもOSとは
•
身近な例 Windows, OS X, Linux, iOS, Android
•
ハードウェアとアプリの橋渡しをするソフト
•
メモリ管理、ハードウェア制御、タスク管理、…

3. OS自作 #とは
•
Windowsみたいなソフトを自分で作る
•
具体的にどうやって作るのか？
!
•
そんなあなたに『OS自作入門』

4. 30日でできる！OS自作入門
30日！
マルチタスク
GUI

5. OS自作の楽しさ
•
自分のコンピュータを支配している感覚
→ ハードウェアを直接いじる
•
普段使ってるOSの裏側を実体験できる
→ メモリ管理、タスク管理ってどうなってる？
•
独自アイデアを盛り込んだOSの創造
→ エミュレータOS、クラウドOS

6. OS自作の苦労
•
自分がOSなので、OSの助けを借りられない
→ main関数さえ自分で呼び出す
•
画面表示も自分の責任
→ 画面表示にバグがあると涙目
•
エミュレータと実機での差
→ エミュレータだと上手く動いたのに！

7. BITNOS
•
私が作っているOS
•
NOS = Not Operating System
OSぽい画面のジョークソフト
（Akkie氏命名）
•
Bit NOS : ちょびっとだけNOS
•
5回くらい作り直しているが、
まだ全く完成しない

8. OS起動プロセス
OSってどうやって起動するの？？

9. OSの起動 MBR読み込み
MBR: Master Boot Record
BIOS
先頭セクタ
= MBR
0x7c00
0x7e00

10. OSの起動 MBRコピー
0x7a00
0x7c00
0x7e00
MBR
MBR
自身をコピー＆
コピー先へジャンプ

11. OSの起動 パーティション解析
パーティション情報

12. OSの起動 PBL読み込み
PBL: Partition Boot Loader
MBR
パーティション
先頭セクタ
= PBL
0x7c00
0x7e00
MBR
PBL

13. OSの起動 なぜMBRをコピーするか
BIOSを模倣するため
•
パーティションがないメディア
→ PBLがディスク先頭
•
BIOSは機械的にディスク先頭を0x7c00に読み込む
•
MBRがPBLを0x7c00に配置し、BIOSを模倣

14. OSの起動 PBLの仕事
•
FATを解析
•
"BITNOS.SYS"を探してロード
•
•
ローダー+カーネル（2段階ロード）
ロード先へジャンプ

15. OSの起動 ローダーの仕事
•
BIOSを使う用事を済ます
→ 画面モード設定、キーボードLED状態取得
•
プロテクトモード（32ビットモード）へ移行
•
カーネル部分を、所定の位置へコピー
→ リンカへの指示と合わせる
•
カーネル（kmain）にジャンプ

16. カーネルの仕事
アプリ アプリ
•
ハードウェア初期化
カーネル
ハードウェア
•
割り込み管理
→ キーボード/マウス、タイマ、ネットワーク
•
タスク管理
•
メモリ管理

17. OS開発とC++

18. OS自作入門とC言語
•
『30日でできる！OS自作入門』はC & アセンブリ
•
C言語でキューの実装→だるい
int以外のキュー
struct FIFO32 {
int *buf;
int p, q, size, free, flags;
};
!
も欲しいのだが…
void fifo32_init(struct FIFO32 *fifo, int size, int *buf)
{
fifo->size = size;
fifo->buf = buf;
fifo->free = size;
fifo->flags = 0;
fifo->p = 0;
fifo->q = 0;
}

19. C++でOS開発
•
先人たち
•
BayOS : C++コンパイラだけで対応可能な機能だけ使用
•
MonaOS : 例外、純粋仮想関数なども使用
•
「gccをg++に置き換えるだけで使える機能」は簡単
•
でも、C++ならそれらしい機能使いたいよね！
•
純粋仮想関数、例外、実行時型情報、new/delete

20. OS開発におけるC++の楽しさ
•
『30日でできる！OS自作入門』のC言語コードを
改良していく楽しさ
•
•
キューをクラスで実装し直すのが好き
OS開発がオブジェクト指向言語でできる楽しさ
•
継承を使って分かりやすいコード
•
純粋仮想関数ひゃっはー

21. OS開発におけるC++の苦労
•
『30日でできる！OS自作入門』の開発環境を流用できない
•
•
•
自分でクロスコンパイラを用意
特に川合さん謹製リンカは.ctorsや.rodataに対応しない
C++特有の機能への対応
•
純粋仮想関数、例外、実行時型情報、new/delete、グ
ローバル変数コンストラクタなど

22. C++特有の機能への対応
•
new
•
純粋仮想関数
•
グローバル変数コンストラクタ

23. C++特有の機能への対応
•
new
•
純粋仮想関数
•
グローバル変数コンストラクタ

24. new演算子
•
new演算子は
1)メモリを確保し、2)コンストラクタを呼ぶ
•
OSが空きメモリを探し、メモリを割り当てる
•
g++がコンストラクタ呼び出しコードを追加する

25. new演算子の実装
void* operator new(size_t size)
{
void* buf = my_malloc(size);
return buf;
}
void* operator new[](size_t size)
{
void* buf = my_malloc(size);
return buf;
}
カーネルの.cppに書いておく

26. メモリ割り当て - リンクリスト方式
0x1000
Header* current
= (Header*)0x1000;
Allocated
0x2000
size=0xFF8
true
Header* next
= (Header*)(
(uintptr_t)current
+ sizeof(Header)
+ current->size);
size=0xAF8
false
Released
0x2B00
struct Header
{
size_t size;
bool is_allocated;
};

27. 配置new演算子
•
new演算子は
1)メモリを確保し、2)そこでコンストラクタを呼ぶ
•
配置new演算子は
1)指定されたメモリ領域でコンストラクタを呼ぶ
•
プログラマがメモリ領域を与える
•
g++がコンストラクタ呼び出しコードを追加する

28. 配置new演算子の実装
普通のnew
配置new
void* operator new(size_t size)
{
void* buf = my_malloc(size);
return buf;
}
void* operator new(size_t size, void* buf)
{
return buf;
}

29. 配置newの使いドコロ
例えばこんな場面
ScreenRenderer* screen_renderer;
!
void KernelMain(void) {
BIOSで設定した画面解像度など取得;
!
!
}
if (24ビット色モード) {
screen_renderer = new 24ビットレンダラ(解像度);
} else if (32ビット色モード) {
screen_renderer = new 32ビットレンダラ(解像度);
}
…

30. 配置newの使いドコロ
例えばこんな場面
ScreenRenderer* screen_renderer;
!
様々なところで使う
→グローバル変数
void KernelMain(void) {
BIOSで設定した画面解像度など取得;
!
!
}
if (24ビット色モード) {
screen_renderer = new 24ビットレンダラ(解像度);
} else if (32ビット色モード) {
screen_renderer = new 32ビットレンダラ(解像度);
}
…

31. 配置newの使いドコロ
例えばこんな場面
ScreenRenderer* screen_renderer;
!
様々なところで使う
→グローバル変数
void KernelMain(void) {
BIOSで設定した画面解像度など取得;
!
!
}
if (24ビット色モード) {
screen_renderer = new 24ビットレンダラ(解像度);
} else if (32ビット色モード) {
screen_renderer = new 32ビットレンダラ(解像度);
}
…
でもインスタンスは
後で生成したい
→ newを使う

32. 配置newの使いドコロ
•
普通、newは新たなメモリを割り当てる
（コンパイラがコンストラクタ呼び出しコードを自動で追加）
•
メモリ割り当てはOSの仕事
•
割り当て機能が無い段階でnewを使いたい！
•
→ 配置new

33. 配置newの使いドコロ
class A {
int val_;
const char* str_;
public:
A() : val_(41), str_("foo") {}
};
41
確保した
メモリ
41
"foo"
"foo"
new A();
char buf[32];
new(buf) A();
buf

34. 配置newの使いドコロ
配置newで無事解決！
ScreenRenderer* screen_renderer;
char buf[128];
void KernelMain(void) {
BIOSで設定した画面解像度など取得;
!
!
}
if (24ビット色モード) {
screen_renderer = new(buf) 24ビットレンダラ(解像度);
} else if (32ビット色モード) {
screen_renderer = new(buf) 32ビットレンダラ(解像度);
}
…

35. C++特有の機能への対応
•
new
•
純粋仮想関数
•
グローバル変数コンストラクタ

36. 仮想関数テーブル
•
C++で仮想関数を使うと出てくる用語
•
virtualなメンバ関数のアドレスの表
•
クラス毎に生成され、インスタンスはvtableへのポインタを持つ
class A {
public:
virtual void foo();
virtual void bar();
};
A::foo
A::bar

37. class A {
public:
virtual void foo();
virtual void bar();
};
class B : public A {
public:
virtual void foo();
};
A's vtable
B's vtable
A::foo
A::bar
B::foo
A::bar

38. class A {
public:
virtual void foo();
virtual void bar();
};
class B : public A {
public:
virtual void foo();
};
A's vtable
B's vtable
A::foo
A::bar
B::foo
A::bar
B instance
vptr
p1
A* p1 = new B();

39. class A {
public:
virtual void foo();
virtual void bar();
};
class B : public A {
public:
virtual void foo();
};
A's vtable
B's vtable
A::foo
A::bar
B::foo
A::bar
B instance
vptr
A instance
vptr
p1
p2
A* p1 = new B();
A* p2 = new A();

40. class A {
public:
virtual void foo();
virtual void bar();
};
class B : public A {
public:
virtual void foo();
};
A's vtable
B's vtable
A::foo
A::bar
B::foo
A::bar
B instance
vptr
A instance
Aのポインタ経由でも
vptr
正しくBのメソッドを呼べる
p1
p2
A* p1 = new B();
A* p2 = new A();

41. 仮想関数テーブル実物
class Base
{
public:
virtual ~Base() {}
virtual int foo() = 0;
virtual int bar() {return 42;}
};
0 (int (*)(...))0
8 (int (*)(...))(& _ZTI4Base)
16 (int (*)(...))Base::~Base
24 (int (*)(...))Base::~Base
32 (int (*)(...))__cxa_pure_virtual
40 (int (*)(...))Base::bar
class MyClass : public Base
{
public:
virtual int foo() {return 43;}
};
0
8
16
24
32
40
(int (*)(...))0
(int (*)(...))(& _ZTI7MyClass)
(int (*)(...))MyClass::~MyClass
(int (*)(...))MyClass::~MyClass
(int (*)(...))MyClass::foo
(int (*)(...))Base::bar

42. 仮想関数テーブル実物
class Base
{
public:
virtual ~Base() {}
virtual int foo() = 0;
virtual int bar() {return 42;}
};
0 (int (*)(...))0
8 (int (*)(...))(& _ZTI4Base)
16 (int (*)(...))Base::~Base
24 (int (*)(...))Base::~Base
32 (int (*)(...))__cxa_pure_virtual
40 (int (*)(...))Base::bar
自分で実装
class MyClass : public Base
{
public:
virtual int foo() {return 43;}
};
0
8
16
24
32
40
(int (*)(...))0
(int (*)(...))(& _ZTI7MyClass)
(int (*)(...))MyClass::~MyClass
(int (*)(...))MyClass::~MyClass
(int (*)(...))MyClass::foo
(int (*)(...))Base::bar

43. C++特有の機能への対応
•
new
•
純粋仮想関数
•
グローバル変数コンストラクタ

44. コンストラクタ呼び出し
class MyClass {
int val_;
public:
MyClass() : val_(41) {}
};
!
MyClass global_instance;
!
int main(void) {
…
}
コンストラクタは
誰が呼ぶ？

45. コンストラクタ呼び出し
class MyClass {
int val_;
public:
MyClass() : val_(41) {}
};
!
MyClass global_instance;
!
コンストラクタは
誰が呼ぶ？
int main(void) {
…
}
→規格では、main関数実行前に呼ばれる

46. コンストラクタ呼び出し
class MyClass {
int val_;
public:
MyClass() : val_(41) {}
};
!
MyClass global_instance;
!
コンストラクタは
誰が呼ぶ？
int main(void) {
…
}
→規格では、main関数実行前に呼ばれる
誰が呼ぶんだろう？

47. コンストラクタ呼び出し
処理系が用意
コンストラクタ呼び出し
大域変数0初期化
_start
return
PBL
call
main
普通のアプリ
jump
自分でやる
kmain
カーネル

48. コンストラクタ呼び出し
.ctors
0x000005A8
0x00001277
0x000018ED
コンストラクタを呼び出す
関数のアドレス
void __call_constructors()
{
typedef void (*ctor_caller_t)(void);
extern int __ctors, __ctors_count;
}
ctor_caller_t* ctors = (ctor_caller_t*)&__ctors;
uarch_t ctors_count = (uarch_t)&__ctors_count;
for (uarch_t i = 0; i < ctors_count; ++i)
{
ctors[i]();
}

49. まとめ
•
OS自作とは
•
OSの起動シーケンス
•
OSとC++
•
new, 純粋仮想関数、コンストラクタ