鴻蒙輕內(nèi)核源碼分析：Newlib C

使用 Musl C 庫的時候，內(nèi)核提供了基于 LOS_XXX 適配實(shí)現(xiàn) pthread、mqeue、fs、semaphore、time 等模塊的 posix 接口（//kernel/liteos_m/kal/posix）。內(nèi)核提供的 posix 接口與 musl 中的標(biāo)準(zhǔn) C 庫接口共同組成 LiteOS-M 的 LibC。編譯時使用 arm-none-eabi-gcc，但只使用其工具鏈的編譯功能，通過加上 - nostdinc 與 - nostdlib 強(qiáng)制使用我們自己改造后的 musl-C。

社區(qū)及三方廠商開發(fā)多使用公版工具鏈 arm-none-eabi-gcc 加上私有定制優(yōu)化進(jìn)行編譯，LiteOS-M 內(nèi)核也支持公版 arm-none-eabi-gcc C 庫編譯內(nèi)核運(yùn)行。newlib 是小型 C 庫，針對 posix 接口涉及系統(tǒng)調(diào)用的部分，newlib 提供一些需要系統(tǒng)適配的鉤子函數(shù)，例如_exit ()，_open ()，_close ()，_gettimeofday () 等，操作系統(tǒng)適配這些鉤子，就可以使用公版 newlib 工具鏈編譯運(yùn)行程序。

1、Newlib C 文件系統(tǒng)

在使用 Newlib C 并且使能支持 POSIX FS API 時（可以在 kernelliteos-m 目錄下，執(zhí)行 make meuconfig 彈出配置界面，路徑為 Compat-Choose libc implementation），如下圖所示。可以使用文件 kallibcnewlibportingsrcfs.c 中定義的文件系統(tǒng)操作接口。這些是標(biāo)準(zhǔn)的 POSIX 接口，如果想了解 POSIX 用法，可以在 linux 平臺輸入 man -a 函數(shù)名稱，比如 man -a opendir 來打開函數(shù)的手冊。

1.1 函數(shù) mount、umount 和 umount2

這些函數(shù)的用法，函數(shù)實(shí)現(xiàn)和 musl c 部分一致。

int mount(const char *source, const char *target,
          const char *filesystemtype, unsigned long mountflags,
          const void *data)
{
    return LOS_FsMount(source, target, filesystemtype, mountflags, data);
}

int umount(const char *target)
{
    return LOS_FsUmount(target);
}

int umount2(const char *target, int flag)
{
    return LOS_FsUmount2(target, flag);
}

1.2 文件操作接口

以下劃線開頭的函數(shù)實(shí)現(xiàn)是 newlib c 的鉤子函數(shù)實(shí)現(xiàn)。有關(guān) newlib 的鉤子函數(shù)調(diào)用過程下文專門分析下。

int _open(const char *path, int oflag, ...)
{
    va_list vaList;
    va_start(vaList, oflag);
    int ret;
    ret = LOS_Open(path, oflag);
    va_end(vaList);
    return ret;
}

int _close(int fd)
{
    return LOS_Close(fd);
}

ssize_t _read(int fd, void *buf, size_t nbyte)
{
    return LOS_Read(fd, buf, nbyte);
}

ssize_t _write(int fd, const void *buf, size_t nbyte)
{
    return LOS_Write(fd, buf, nbyte);
}

off_t _lseek(int fd, off_t offset, int whence)
{
    return LOS_Lseek(fd, offset, whence);
}

int _unlink(const char *path)
{
    return LOS_Unlink(path);
}

int _fstat(int fd, struct stat *buf)
{
    return LOS_Fstat(fd, buf);
}

int _stat(const char *path, struct stat *buf)
{
    return LOS_Stat(path, buf);
}

int fsync(int fd)
{
    return LOS_Fsync(fd);
}

int mkdir(const char *path, mode_t mode)
{
    return LOS_Mkdir(path, mode);
}

DIR *opendir(const char *dirName)
{
    return LOS_Opendir(dirName);
}

struct dirent *readdir(DIR *dir)
{
    return LOS_Readdir(dir);
}

int closedir(DIR *dir)
{
    return LOS_Closedir(dir);
}

int rmdir(const char *path)
{
    return LOS_Unlink(path);
}

int rename(const char *oldName, const char *newName)
{
    return LOS_Rename(oldName, newName);
}

int statfs(const char *path, struct statfs *buf)
{
    return LOS_Statfs(path, buf);
}

int ftruncate(int fd, off_t length)
{
    return LOS_Ftruncate(fd, length);
}

在 newlib 沒有使能使能支持 POSIX FS API 時時，需要提供這些鉤子函數(shù)的空的實(shí)現(xiàn)，返回 - 1 錯誤碼即可。

int _open(const char *path, int oflag, ...)
{
    return -1;
}

int _close(int fd)
{
    return -1;
}

ssize_t _read(int fd, void *buf, size_t nbyte)
{
    return -1;
}

ssize_t _write(int fd, const void *buf, size_t nbyte)
{
    return -1;
}

off_t _lseek(int fd, off_t offset, int whence)
{
    return -1;
}

int _unlink(const char *path)
{
    return -1;
}

int _fstat(int fd, struct stat *buf)
{
    return -1;
}

int _stat(const char *path, struct stat *buf)
{
    return -1;
}

2、Newlib C 內(nèi)存分配釋放

實(shí)現(xiàn) malloc 適配有以下兩種方法：

實(shí)現(xiàn) _sbrk_r 函數(shù)。這種方法中，內(nèi)存分配函數(shù)使用 newlib 中的。

實(shí)現(xiàn) _malloc_r, _realloc_r, _free_r, _memalign_r, _malloc_usable_size_r 等。這種方法中，內(nèi)存分配函數(shù)可以使用內(nèi)核的。

為了方便地根據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行內(nèi)存分配算法調(diào)優(yōu)和問題定位，推薦選擇后者。內(nèi)核的內(nèi)存函數(shù)定義在文件 kallibcnewlibportingsrcmalloc.c 中。源碼片段如下，代碼實(shí)現(xiàn)比較簡單，不再分析源碼。

......
void __wrap__free_r(struct _reent *reent, void *aptr)
{
    if (aptr == NULL) {
        return;
    }

    LOS_MemFree(OS_SYS_MEM_ADDR, aptr);
}

size_t __wrap__malloc_usable_size_r(struct _reent *reent, void *aptr)
{
    return 0;
}

void *__wrap__malloc_r(struct _reent *reent, size_t nbytes)
{
    if (nbytes == 0) {
        return NULL;
    }

    return LOS_MemAlloc(OS_SYS_MEM_ADDR, nbytes);
}

void *__wrap__memalign_r(struct _reent *reent, size_t align, size_t nbytes)
{
    if (nbytes == 0) {
        return NULL;
    }

    return LOS_MemAllocAlign(OS_SYS_MEM_ADDR, nbytes, align);
}
......

可能已經(jīng)注意到函數(shù)命名由__wrap_加上鉤子函數(shù)名稱兩部分組成。這是因為 newlib 中已經(jīng)存在這些函數(shù)的符號，因此需要用到 gcc 的 wrap 的鏈接選項替換這些函數(shù)符號為內(nèi)核的實(shí)現(xiàn)，在設(shè)備開發(fā)板的配置文件中，比如 //device/board/fnlink/v200zr/liteos_m/config.gni，新增這些函數(shù)的 wrap 鏈接選項，示例如下：

board_ld_flags += [
     "-Wl,--wrap=_malloc_r",
     "-Wl,--wrap=_realloc_r",
     "-Wl,--wrap=_free_r",
     "-Wl,--wrap=_memalign_r",
     "-Wl,--wrap=_malloc_usable_size_r",
]

3、Newlib 鉤子函數(shù)介紹

以 open 函數(shù)的鉤子函數(shù)_open 為例來介紹 newlib 的鉤子函數(shù)的調(diào)用過程。open () 函數(shù)實(shí)現(xiàn)在 newlib-cygwinnewliblibcsyscallssysopen.c 中，該函數(shù)會進(jìn)一步調(diào)用函數(shù)_open_r，這是個可重入函數(shù) Reentrant Function，支持在多線程中運(yùn)行。

int
open (const char *file,
        int flags, ...)
{
  va_list ap;
  int ret;

  va_start (ap, flags);
  ret = _open_r (_REENT, file, flags, va_arg (ap, int));
  va_end (ap);
  return ret;
}

所有的可重入函數(shù)定義在文件夾 newlib-cygwinnewliblibcreent，函數(shù)_open_r 定義在該文件夾的文件 newlib-cygwinnewliblibcreentopenr.c 里。函數(shù)代碼如下：

int
_open_r (struct _reent *ptr,
     const char *file,
     int flags,
     int mode)
{
  int ret;

  errno = 0;
  if ((ret = _open (file, flags, mode)) == -1 && errno != 0)
    ptr->_errno = errno;
  return ret;
}

函數(shù)_open_r 如上述代碼所示，會進(jìn)一步調(diào)用函數(shù)_open，該函數(shù)，以 arm 硬件平臺為例，實(shí)現(xiàn)在 newlib-cygwinlibglossarmsyscalls.c 文件里。newlib 目錄是和硬件平臺無關(guān)的痛毆他那個功能實(shí)現(xiàn)，libloss 目錄是底層的驅(qū)動實(shí)現(xiàn)，以各個硬件平臺為文件夾進(jìn)行組織。在特定硬件平臺的目錄下的 syscalls.c 文件里面實(shí)現(xiàn)了 newlib 需要的各個樁函數(shù)：

/* Forward prototypes.  */
int	_system		(const char *);
int	_rename		(const char *, const char *);
int	_isatty		(int);
clock_t _times		(struct tms *);
int	_gettimeofday	(struct timeval *, void *);
int	_unlink		(const char *);
int	_link		(const char *, const char *);
int	_stat		(const char *, struct stat *);
int	_fstat		(int, struct stat *);
int	_swistat	(int fd, struct stat * st);
void *	_sbrk		(ptrdiff_t);
pid_t	_getpid		(void);
int	_close		(int);
clock_t	_clock		(void);
int	_swiclose	(int);
int	_open		(const char *, int, ...);
int	_swiopen	(const char *, int);
int	_write		(int, const void *, size_t);
int	_swiwrite	(int, const void *, size_t);
_off_t	_lseek		(int, _off_t, int);
_off_t	_swilseek	(int, _off_t, int);
int	_read		(int, void *, size_t);
int	_swiread	(int, void *, size_t);
void	initialise_monitor_handles (void);

對于上文提到的函數(shù)_open，源碼如下。后續(xù)不再繼續(xù)分析了，LiteOS-M 內(nèi)核會提供這些鉤子函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。

int
_open (const char * path, int flags, ...)
{
  return _swiopen (path, flags);
}

審核編輯 黃宇