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デジタル創作サークルUniProject

ヒープ実装！VecとStringが使えるようになった Part7

Last updated at 2025-12-10Posted at 2025-12-10

はじめに

Part6でページングを実装しました。

今回は ヒープメモリ を実装します！これができるとBox、Vec、Stringが使えるようになる！

ぶっちゃけ、ここが一番ワクワクしたところです。Rustの強力なコレクション型がOSカーネルで使えるって、ものすごくテンション上がる。

スタックとヒープ

	スタック	ヒープ
サイズ	コンパイル時に決定	実行時に動的
確保	自動（関数呼び出し時）	手動（`Box::new`など）
解放	自動（関数終了時）	手動（`Drop`トレイト）
速度	高速	やや遅い

no_std環境では、ヒープを使うには自分でアロケータを実装する必要があります。

依存クレートを追加

# Cargo.toml
[dependencies]
linked_list_allocator = "0.10"

linked_list_allocatorはフリーリスト方式のシンプルなアロケータ。自作してもいいけど、今回は既存クレートを使います。

build-stdの更新

allocクレートを使うために、.cargo/config.tomlを更新：

[unstable]
build-std = ["core", "compiler_builtins", "alloc"]  # alloc追加！
build-std-features = ["compiler-builtins-mem"]

グローバルアロケータ

Rustでは#[global_allocator]属性でグローバルアロケータを指定します。

src/allocator.rsを新規作成：

use x86_64::{
    structures::paging::{
        mapper::MapToError, FrameAllocator, Mapper, Page, PageTableFlags, Size4KiB,
    },
    VirtAddr,
};
use linked_list_allocator::LockedHeap;

pub const HEAP_START: usize = 0x_4444_4444_0000;
pub const HEAP_SIZE: usize = 100 * 1024; // 100 KiB

#[global_allocator]
static ALLOCATOR: LockedHeap = LockedHeap::empty();

HEAP_STARTの値

0x_4444_4444_0000という値に深い意味はないです。デバッグ時に「4が並んでるからヒープだな」ってわかりやすいから選びました。

重要なのは：

カーネルのコード領域と被らない
スタック領域と被らない
48ビットアドレス空間内

ヒープ領域をマップする

ヒープ用の仮想アドレスに、物理フレームをマップします：

pub fn init_heap(
    mapper: &mut impl Mapper<Size4KiB>,
    frame_allocator: &mut impl FrameAllocator<Size4KiB>,
) -> Result<(), MapToError<Size4KiB>> {
    let page_range = {
        let heap_start = VirtAddr::new(HEAP_START as u64);
        let heap_end = heap_start + HEAP_SIZE as u64 - 1u64;
        let heap_start_page = Page::containing_address(heap_start);
        let heap_end_page = Page::containing_address(heap_end);
        Page::range_inclusive(heap_start_page, heap_end_page)
    };

    for page in page_range {
        let frame = frame_allocator
            .allocate_frame()
            .ok_or(MapToError::FrameAllocationFailed)?;
        let flags = PageTableFlags::PRESENT | PageTableFlags::WRITABLE;
        unsafe {
            mapper.map_to(page, frame, flags, frame_allocator)?.flush();
        }
    }

    unsafe {
        ALLOCATOR.lock().init(HEAP_START as *mut u8, HEAP_SIZE);
    }

    Ok(())
}

やっていること：

ヒープ領域のページ範囲を計算（100KiB ÷ 4KiB = 25ページ）
各ページに物理フレームを割り当て
PRESENT | WRITABLEフラグでマップ
アロケータを初期化

allocクレートを使う

main.rsに追加：

#![no_std]
#![no_main]
#![feature(abi_x86_interrupt)]

extern crate alloc;  // これを追加！

mod vga;
mod interrupts;
mod memory;
mod allocator;

use alloc::{boxed::Box, vec::Vec, string::String};

extern crate allocでallocクレートをインポート。これでBox、Vec、Stringなどが使えます。

main.rsの更新

fn kernel_main(boot_info: &'static BootInfo) -> ! {
    // ... 前回までの初期化 ...
    
    // ページングの初期化
    let phys_mem_offset = x86_64::VirtAddr::new(boot_info.physical_memory_offset);
    let mut mapper = unsafe { memory::init(phys_mem_offset) };
    let mut frame_allocator = unsafe { 
        memory::BootInfoFrameAllocator::init(&boot_info.memory_map) 
    };
    serial_print("Paging initialized\n");
    
    // ヒープの初期化
    allocator::init_heap(&mut mapper, &mut frame_allocator)
        .expect("heap initialization failed");
    serial_print("Heap initialized\n");
    
    // ヒープのテスト！
    println!("Testing heap allocations...");
    
    // Boxのテスト
    let heap_value = Box::new(42);
    println!("Box<i32>: {}", *heap_value);
    
    // Vecのテスト
    let mut vec = Vec::new();
    for i in 0..10 {
        vec.push(i);
    }
    println!("Vec: {:?}", vec);
    
    // Stringのテスト
    let mut s = String::from("Hello");
    s.push_str(", Heap!");
    println!("String: {}", s);
    
    // ...
}

動作確認

cargo bootimage

   Compiling alloc v0.0.0 (...)
   Compiling linked_list_allocator v0.10.5
   Compiling my-os v0.1.0 (C:\Users\Aqua\Documents\Qiita\my-os)
warning: method `as_usize` is never used
warning: function `translate_addr` is never used
    Finished `dev` profile [optimized + debuginfo] target(s) in 7.81s
Building bootloader
    Finished `release` profile [optimized + debuginfo] target(s) in 1.76s
Created bootimage for `my-os` at `target\x86_64-my_os\debug\bootimage-my-os.bin`

allocクレートがビルドされてる！

qemu-system-x86_64 -drive format=raw,file=target\x86_64-my_os\debug\bootimage-my-os.bin -serial file:serial.log

シリアルログ：

=== My OS Booting ===
VGA initialized
IDT initialized
PICs initialized
Interrupts enabled
Paging initialized
Heap initialized
Heap test complete
Entering infinite loop...

画面：

Testing heap allocations...
Box<i32>: 42
Vec: [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
String: Hello, Heap!

Heap works! Try pressing keys...

動いた！！！

VecとStringが自作OSで使えるなんて...感動です。

何が起きてるのか

Box::new(42)を呼ぶと：

1. Box::new(42) 呼び出し
   ↓
2. alloc::alloc() が呼ばれる
   ↓
3. #[global_allocator] の ALLOCATOR.alloc() が呼ばれる
   ↓
4. linked_list_allocator がフリーリストから4バイト確保
   ↓
5. ヒープ領域（0x4444_4444_0000〜）から確保
   ↓
6. そのアドレスに42を書き込む
   ↓
7. Box<i32> 完成！

linked_list_allocatorの仕組み

フリーリスト方式：

初期状態:
[             Free: 100KiB             ]

Box::new(42) 後:
[42][          Free: ~100KiB           ]

Vec確保後:
[42][0,1,2,...,9][   Free: ~100KiB    ]

解放されたブロックはリストに戻されて、隣接するフリーブロックは結合されます。

ヒープサイズについて

今回は100KiBにしました。小さいけど、デモには十分。

実際のOSでは：

初期サイズをもっと大きくする
必要に応じて拡張する仕組みを作る

まとめ

Part7では以下を達成しました：

グローバルアロケータの設定
ヒープ領域のマッピング
allocクレートの有効化
Box、Vec、Stringが動いた！

ここまで来ると、かなりOSっぽくなってきました。

次回以降は：

非同期処理（async/await）
ファイルシステム
ユーザーモード

などを実装していく予定です。まだまだ道のりは長い...でも楽しい！

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