鸿蒙轻内核M核源码分析系列二十 Newlib C

2022年01月15日 阅读数:3
这篇文章主要向大家介绍鸿蒙轻内核M核源码分析系列二十 Newlib C,主要内容包括基础应用、实用技巧、原理机制等方面,希望对大家有所帮助。

鸿蒙轻内核M核源码分析系列二十 Newlib C

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LiteOS-M内核LibC实现有2种,能够根据需求进行二选一,分别是musl libC和newlibc。本文先学习下Newlib C的实现代码。文中所涉及的源码,都可以在开源站点https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m 获取。linux

使用Musl C库的时候,内核提供了基于LOS_XXX适配实现pthread、mqeue、fs、semaphore、time等模块的posix接口(//kernel/liteos_m/kal/posix)。内核提供的posix接口与musl中的标准C库接口共同组成LiteOS-M的LibC。编译时使用arm-none-eabi-gcc,但只使用其工具链的编译功能,经过加上-nostdinc与-nostdlib强制使用咱们本身改造后的musl-C。git

社区及三方厂商开发多使用公版工具链arm-none-eabi-gcc加上私有定制优化进行编译,LiteOS-M内核也支持公版arm-none-eabi-gcc C库编译内核运行。newlib是小型C库,针对posix接口涉及系统调用的部分,newlib提供一些须要系统适配的钩子函数,例如_exit(),_open(),_close(),_gettimeofday()等,操做系统适配这些钩子,就可使用公版newlib工具链编译运行程序。算法


一、Newlib C文件系统

在使用Newlib C而且使能支持POSIX FS API时(能够在kernel\liteos-m\目录下,执行make meuconfig弹出配置界面,路径为Compat-Choose libc implementation),以下图所示。可使用文件kal\libc\newlib\porting\src\fs.c中定义的文件系统操做接口。这些是标准的POSIX接口,若是想了解POSIX用法,能够在linux平台输入 man -a 函数名称,好比man -a opendir来打开函数的手册。markdown

newlibc.png

1.1 函数mount、umount和umount2

这些函数的用法,函数实现和musl c部分一致。多线程

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 文件操做接口

如下划线开头的函数实现是newlib c的钩子函数实现。有关newlib的钩子函数调用过程下文专门分析下。ide

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没有使能使能支持POSIX FS API时时,须要提供这些钩子函数的空的实现,返回-1错误码便可。函数

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;
}

二、Newlib C内存分配释放

newlibc 的malloc适配参考The Red Hat newlib C Library-malloc。实现malloc适配有如下两种方法:工具

  • 实现 _sbrk_r 函数。这种方法中,内存分配函数使用newlib中的。源码分析

  • 实现 _malloc_r, _realloc_r, _free_r, _memalign_r, _malloc_usable_size_r等。这种方法中,内存分配函数可使用内核的。

为了方便地根据业务进行内存分配算法调优和问题定位,推荐选择后者。内核的内存函数定义在文件kal\libc\newlib\porting\src\malloc.c中。源码片断以下,代码实现比较简单,再也不分析源码。

......
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);
}
......

可能已经注意到函数命名由__wrap_加上钩子函数名称两部分组成。这是由于newlib中已经存在这些函数的符号,所以须要用到gcc的wrap的连接选项替换这些函数符号为内核的实现,在设备开发板的配置文件中,好比//device/board/fnlink/v200zr/liteos_m/config.gni,新增这些函数的wrap连接选项,示例以下:

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",
]

三、Newlib钩子函数介绍

以open函数的钩子函数_open为例来介绍newlib的钩子函数的调用过程。open()函数实如今newlib-cygwin\newlib\libc\syscalls\sysopen.c中,该函数会进一步调用函数_open_r,这是个可重入函数Reentrant Function,支持在多线程中运行。

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;
}

全部的可重入函数定义在文件夹newlib-cygwin\newlib\libc\reent,函数_open_r定义在该文件夹的文件newlib-cygwin\newlib\libc\reent\openr.c里。函数代码以下:

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;
}

函数_open_r如上述代码所示,会进一步调用函数_open,该函数,以arm硬件平台为例,实如今newlib-cygwin\libgloss\arm\syscalls.c文件里。newlib目录是和硬件平台无关的痛殴他那个功能实现,libloss目录是底层的驱动实现,以各个硬件平台为文件夹进行组织。在特定硬件平台的目录下的syscalls.c文件里面实现了newlib须要的各个桩函数:

/* 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);

对于上文提到的函数_open,源码以下。后续再也不继续分析了,LiteOS-M内核会提供这些钩子函数的实现。

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

小结

本文学习了LiteOS-M内核Newlib C的实现,特别是文件系统和内存分配释放部分,最后介绍了Newlib钩子函数。时间仓促和能力关系,若有失误,欢迎指正。感谢阅读,若有任何问题、建议,均可以博客下留言给我,谢谢。

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