Manual Completo de Rust para Programación del Kernel Linux

1. Introducción a Rust en el Kernel Linux

1.1 Estado actual de Rust en Linux

Rust se ha convertido en un lenguaje secundario oficial para el desarrollo del kernel Linux desde la versión 6.1. Sus ventajas incluyen:

• Seguridad de memoria: Elimina clases enteras de bugs (dangling pointers, buffer overflows)
• Concurrencia segura: Sistema de ownership que previene data races en tiempo de compilación
• Abstracciones sin costo: Performance comparable a C
• Interoperabilidad: Integración transparente con código C existente

1.2 Configuración del entorno

2. Fundamentos de Rust para el Kernel

2.1 Diferencias clave con Rust estándar

2.2 Estructura básica de un módulo

// Módulo mínimo del kernel en Rust
#![no_std]  // No usar la stdlib estándar
#![feature(allocator_api, global_asm)]

use kernel::prelude::*;

// Estructura del módulo
struct RustModule;

impl kernel::Module for RustModule {
    fn init(_name: &'static CStr, _module: &'static kernel::ThisModule) -> Result<Self> {
        pr_info!("Módulo Rust inicializado\n");
        Ok(RustModule)
    }
}

// Macro para declarar el módulo
module! {
    type: RustModule,
    name: "rust_kernel_module",
    author: "Tu Nombre",
    description: "Un módulo simple del kernel en Rust",
    license: "GPL",
}

3. Gestión de Memoria en el Kernel

3.1 Asignación de memoria

use kernel::{
    alloc::GFP_KERNEL,
    prelude::*,
    str::CStr,
};

fn allocate_buffer() -> Result<Box<[u8]>> {
    // Asignar 1KB de memoria
    let buffer = try_with(1024, GFP_KERNEL, |slice| {
        slice.fill(0);  // Inicializar a cero
        Ok(())
    })?;
    
    Ok(buffer)
}

struct DeviceData {
    buffer: Box<[u8]>,
}

impl DeviceData {
    fn new() -> Result<Self> {
        Ok(Self {
            buffer: allocate_buffer()?,
        })
    }
}

3.2 Tipos de asignadores

4. Concurrencia y Sincronización

4.1 Mecanismos de sincronización

use kernel::{
    sync::{Mutex, SpinLock},
    task::Task,
};

struct SharedData {
    // Mutex para datos que pueden dormir
    config: Mutex<DeviceConfig>,
    
    // SpinLock para datos en contexto atómico
    stats: SpinLock<DeviceStats>,
}

impl SharedData {
    fn new() -> Result<Self> {
        Ok(Self {
            config: Mutex::new(DeviceConfig::default()),
            stats: SpinLock::new(DeviceStats::new()),
        })
    }
    
    fn update_config(&self, new_config: DeviceConfig) {
        let mut config = self.config.lock();
        *config = new_config;
    }
}

4.2 Trabajo diferido

use kernel::{
    workqueue::{Work, WorkQueue},
    prelude::*,
    sync::Arc,
};

struct DeferredWork {
    work: Work,
    data: Arc<SharedData>,
}

impl DeferredWork {
    fn new(data: Arc<SharedData>) -> Result<Self> {
        let mut work = Work::new();
        work.init();
        
        Ok(Self { work, data })
    }
    
    fn schedule(&self, wq: &WorkQueue) {
        unsafe { wq.enqueue(&self.work) };
    }
}

impl Work for DeferredWork {
    fn run(&self) {
        // Este código se ejecuta en contexto de trabajo diferido
        pr_info!("Ejecutando trabajo diferido\n");
    }
}

5. Interacción con el Hardware

5.1 Mapeo de memoria

use kernel::{
    device::Device,
    io_mem::Resource,
    address_space::AddressSpace,
};

struct HwRegisters {
    regs: *mut u32,
    size: usize,
}

impl HwRegisters {
    fn new(dev: &dyn Device, res: Resource) -> Result<Self> {
        let addr_space = AddressSpace::new(dev)?;
        let virt_addr = addr_space.map(res)?;
        let size = res.size();
        
        Ok(Self {
            regs: virt_addr.as_ptr() as *mut u32,
            size,
        })
    }
    
    unsafe fn read(&self, offset: usize) -> u32 {
        assert!(offset < self.size / 4);
        *self.regs.add(offset)
    }
    
    unsafe fn write(&mut self, offset: usize, value: u32) {
        assert!(offset < self.size / 4);
        *self.regs.add(offset) = value;
    }
}

5.2 Manejo de interrupciones

use kernel::{
    interrupt,
    device::irq::Irq,
    sync::SpinLock,
};

struct InterruptData {
    count: SpinLock<u32>,
    dev: Arc<DeviceData>,
}

impl interrupt::Handler for InterruptData {
    fn handle(&self, irq_data: &dyn interrupt::IrqData) -> interrupt::Result {
        let mut count = self.count.lock();
        *count += 1;
        
        // Procesar la interrupción
        self.dev.process_interrupt();
        
        interrupt::Result::Handled
    }
}

fn register_irq(irq_num: u32, dev: Arc<DeviceData>) -> Result<InterruptData> {
    let irq = Irq::try_new(irq_num, dev.as_ref())?;
    let data = InterruptData {
        count: SpinLock::new(0),
        dev,
    };
    
    unsafe {
        interrupt::register_handler(&data)?;
    }
    
    Ok(data)
}

6. Subsistemas del Kernel

6.1 Sistema de archivos

use kernel::{
    file::File,
    file_operations::{FileOperations, FileOpener},
    prelude::*,
    str::CStr,
    user_ptr::UserSlicePtrWriter,
};

struct FsNode {
    data: Mutex<Vec<u8>>,
}

#[vtable]
impl FileOperations for FsNode {
    type Data = Box<Self>;

    fn open(_data: &Arc<Self>, _file: &File) -> Result<Self::Data> {
        Ok(Box::try_new(FsNode {
            data: Mutex::new(Vec::new()),
        })?)
    }

    fn read(
        &self,
        _file: &File,
        data: UserSlicePtrWriter,
        _offset: u64,
    ) -> Result<usize> {
        let buffer = self.data.lock();
        data.write_slice(&buffer)?;
        Ok(buffer.len())
    }

    fn write(
        &self,
        _file: &File,
        data: UserSlicePtrWriter,
        _offset: u64,
    ) -> Result<usize> {
        let mut buffer = self.data.lock();
        buffer.clear();
        data.read_all(&mut buffer)?;
        Ok(buffer.len())
    }
}

6.2 Redes

use kernel::{
    net::{self, SkBuff, Protocol},
    prelude::*,
};

struct RustProtocol;

impl Protocol for RustProtocol {
    fn recv(&self, skb: SkBuff) {
        pr_info!("Paquete recibido: len={}\n", skb.len());
    }
}

fn register_protocol() -> Result<net::Registration<RustProtocol>> {
    let proto = net::Protocol::new(
        "RustProto",
        RustProtocol,
        0x1234,  // ETH_P_RUST
    )?;
    
    Ok(proto)
}

7. Pruebas y Depuración

7.1 Pruebas unitarias

// Ejemplo de prueba unitaria en el kernel
#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;
    
    #[test]
    fn test_hw_registers() {
        // Configurar prueba simulada
        let mut regs = HwRegisters::new_for_test(1024);
        
        // Probar lectura/escritura
        unsafe {
            regs.write(0, 0x12345678);
            assert_eq!(regs.read(0), 0x12345678);
        }
    }
}

7.2 Depuración con kgdb

8. Ejemplo Completo: Módulo de Kernel

8.1 Módulo de estadísticas

// src/lib.rs
#![no_std]
#![feature(allocator_api, global_asm)]

use kernel::{
    file::File,
    file_operations::{FileOperations, FileOpener},
    module_misc_device,
    prelude::*,
    str::CStr,
    sync::Mutex,
    user_ptr::UserSlicePtrWriter,
};

struct KernelStats {
    read_count: Mutex<u64>,
    write_count: Mutex<u64>,
}

impl KernelStats {
    fn new() -> Result<Self> {
        Ok(Self {
            read_count: Mutex::new(0),
            write_count: Mutex::new(0),
        })
    }
}

#[vtable]
impl FileOperations for KernelStats {
    type Data = Box<Self>;

    fn open(_data: &Arc<Self>, _file: &File) -> Result<Self::Data> {
        KernelStats::new()
    }

    fn read(
        &self,
        _file: &File,
        data: UserSlicePtrWriter,
        _offset: u64,
    ) -> Result<usize> {
        let mut reads = self.read_count.lock();
        *reads += 1;
        
        let stats = format!(
            "Reads: {}, Writes: {}\n",
            reads,
            *self.write_count.lock()
        );
        
        data.write_slice(stats.as_bytes())?;
        Ok(stats.len())
    }

    fn write(
        &self,
        _file: &File,
        _data: UserSlicePtrWriter,
        _offset: u64,
    ) -> Result<usize> {
        let mut writes = self.write_count.lock();
        *writes += 1;
        Ok(0)
    }
}

struct StatsModule;

impl kernel::Module for StatsModule {
    fn init(name: &'static CStr, _module: &'static kernel::ThisModule) -> Result<Self> {
        pr_info!("Inicializando módulo de estadísticas\n");
        
        let _reg = module_misc_device(
            name,
            None,
            Arc::try_new(KernelStats::new()?)?,
        )?;
        
        Ok(StatsModule)
    }
}

impl Drop for StatsModule {
    fn drop(&mut self) {
        pr_info!("Descargando módulo de estadísticas\n");
    }
}

module! {
    type: StatsModule,
    name: "rust_kernel_stats",
    author: "Tu Nombre",
    description: "Módulo de estadísticas del kernel en Rust",
    license: "GPL",
}

8.2 Compilación y carga

obj-$(CONFIG_RUST) += rust_kernel_stats.o

config RUST_KERNEL_STATS
    tristate "Estadísticas del kernel en Rust"
    depends on RUST
    help
      Módulo de ejemplo que muestra estadísticas de lectura/escritura

9. Buenas Prácticas

9.1 Seguridad en el kernel

• Minimizar unsafe: Aislar en funciones pequeñas y documentadas
• Validar entradas: Verificar todos los parámetros de userspace
• Manejo de errores: Implementar rollback en fallos
• Privilegios: Verificar CAP_SYS_ADMIN cuando sea necesario

9.2 Performance

• Evitar asignaciones: Usar memoria pre-asignada cuando sea posible
• Secciones críticas: Minimizar tiempo con locks adquiridos
• Prefetching: Acceder a registros de hardware eficientemente
• Cache: Alinear estructuras a líneas de cache

10. Recursos Adicionales

10.1 Documentación oficial

• Documentación de Rust en el kernel
• Repositorio Rust for Linux
• Sitio oficial de Rust

10.2 Herramientas

• bindgen: Generar bindings para código C
• c2rust: Convertir código C a Rust
• kunit: Framework de pruebas del kernel
• kgdb: Depurador del kernel