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鸿蒙轻内核M核源码分析系列之Newlib C

2024-12-02 10:22

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LiteOS-M内核LibC实现有2种,可以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,均可以在开源站点https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m 获取。

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,通过加上-nostdinc与-nostdlib强制使用我们自己改造后的musl-C。

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提供一些需要系统适配的钩子函数,例如_exit(),_open(),_close(),_gettimeofday()等,操作系统适配这些钩子,就可以使用公版newlib工具链编译运行程序。

1、Newlib C文件系统

在使用Newlib C并且使能支持POSIX FS API时(可以在kernel\liteos-m\目录下,执行make meuconfig弹出配置界面,路径为Compat-Choose libc implementation),如下图所示。可以使用文件kal\libc\newlib\porting\src\fs.c中定义的文件系统操作接口。这些是标准的POSIX接口,如果想了解POSIX用法,可以在linux平台输入 man -a 函数名称,比如man -a opendir来打开函数的手册。


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。

  1. int mount(const char *source, const char *target, 
  2.           const char *filesystemtype, unsigned long mountflags, 
  3.           const void *data) 
  4.     return LOS_FsMount(source, target, filesystemtype, mountflags, data); 
  5.  
  6. int umount(const char *target) 
  7.     return LOS_FsUmount(target); 
  8.  
  9. int umount2(const char *target, int flag) 
  10.     return LOS_FsUmount2(target, flag); 

1.2 文件操作接口

以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。

  1. int _open(const char *path, int oflag, ...) 
  2.     va_list vaList; 
  3.     va_start(vaList, oflag); 
  4.     int ret; 
  5.     ret = LOS_Open(path, oflag); 
  6.     va_end(vaList); 
  7.     return ret; 
  8.  
  9. int _close(int fd) 
  10.     return LOS_Close(fd); 
  11.  
  12. ssize_t _read(int fd, void *buf, size_t nbyte) 
  13.     return LOS_Read(fd, buf, nbyte); 
  14.  
  15. ssize_t _write(int fd, const void *buf, size_t nbyte) 
  16.     return LOS_Write(fd, buf, nbyte); 
  17.  
  18. off_t _lseek(int fd, off_t offset, int whence) 
  19.     return LOS_Lseek(fd, offset, whence); 
  20.  
  21. int _unlink(const char *path) 
  22.     return LOS_Unlink(path); 
  23.  
  24. int _fstat(int fd, struct stat *buf) 
  25.     return LOS_Fstat(fd, buf); 
  26.  
  27. int _stat(const char *path, struct stat *buf) 
  28.     return LOS_Stat(path, buf); 
  29.  
  30. int fsync(int fd) 
  31.     return LOS_Fsync(fd); 
  32.  
  33. int mkdir(const char *path, mode_t mode) 
  34.     return LOS_Mkdir(path, mode); 
  35.  
  36. DIR *opendir(const char *dirName) 
  37.     return LOS_Opendir(dirName); 
  38.  
  39. struct dirent *readdir(DIR *dir) 
  40.     return LOS_Readdir(dir); 
  41.  
  42. int closedir(DIR *dir) 
  43.     return LOS_Closedir(dir); 
  44.  
  45. int rmdir(const char *path) 
  46.     return LOS_Unlink(path); 
  47.  
  48. int rename(const char *oldName, const char *newName) 
  49.     return LOS_Rename(oldName, newName); 
  50.  
  51. int statfs(const char *path, struct statfs *buf) 
  52.     return LOS_Statfs(path, buf); 
  53.  
  54. int ftruncate(int fd, off_t length) 
  55.     return LOS_Ftruncate(fd, length); 

在newlib没有使能使能支持POSIX FS API时时,需要提供这些钩子函数的空的实现,返回-1错误码即可。

  1. int _open(const char *path, int oflag, ...) 
  2.     return -1; 
  3.  
  4. int _close(int fd) 
  5.     return -1; 
  6.  
  7. ssize_t _read(int fd, void *buf, size_t nbyte) 
  8.     return -1; 
  9.  
  10. ssize_t _write(int fd, const void *buf, size_t nbyte) 
  11.     return -1; 
  12.  
  13. off_t _lseek(int fd, off_t offset, int whence) 
  14.     return -1; 
  15.  
  16. int _unlink(const char *path) 
  17.     return -1; 
  18.  
  19. int _fstat(int fd, struct stat *buf) 
  20.     return -1; 
  21.  
  22. int _stat(const char *path, struct stat *buf) 
  23.     return -1; 

2、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适配有以下两种方法:

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。源码片段如下,代码实现比较简单,不再分析源码。

  1. ...... 
  2. void __wrap__free_r(struct _reent *reent, void *aptr) 
  3.     if (aptr == NULL) { 
  4.         return
  5.     } 
  6.  
  7.     LOS_MemFree(OS_SYS_MEM_ADDR, aptr); 
  8.  
  9. size_t __wrap__malloc_usable_size_r(struct _reent *reent, void *aptr) 
  10.     return 0; 
  11.  
  12. void *__wrap__malloc_r(struct _reent *reent, size_t nbytes) 
  13.     if (nbytes == 0) { 
  14.         return NULL
  15.     } 
  16.  
  17.     return LOS_MemAlloc(OS_SYS_MEM_ADDR, nbytes); 
  18.  
  19. void *__wrap__memalign_r(struct _reent *reent, size_t align, size_t nbytes) 
  20.     if (nbytes == 0) { 
  21.         return NULL
  22.     } 
  23.  
  24.     return LOS_MemAllocAlign(OS_SYS_MEM_ADDR, nbytes, align); 
  25. ...... 

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。这是因为newlib中已经存在这些函数的符号,因此需要用到gcc的wrap的链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,比如//device/board/fnlink/v200zr/liteos_m/config.gni,新增这些函数的wrap链接选项,示例如下:

  1. board_ld_flags += [ 
  2.      "-Wl,--wrap=_malloc_r"
  3.      "-Wl,--wrap=_realloc_r"
  4.      "-Wl,--wrap=_free_r"
  5.      "-Wl,--wrap=_memalign_r"
  6.      "-Wl,--wrap=_malloc_usable_size_r"

3、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()函数实现在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。

  1. int 
  2. open (const char *file, 
  3.         int flags, ...) 
  4.   va_list ap; 
  5.   int ret; 
  6.  
  7.   va_start (ap, flags); 
  8.   ret = _open_r (_REENT, file, flags, va_arg (ap, int)); 
  9.   va_end (ap); 
  10.   return ret; 

 所有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。函数代码如下:

  1. int 
  2. _open_r (struct _reent *ptr, 
  3.      const char *file, 
  4.      int flags, 
  5.      int mode) 
  6.   int ret; 
  7.  
  8.   errno = 0; 
  9.   if ((ret = _open (file, flags, mode)) == -1 && errno != 0) 
  10.     ptr->_errno = errno; 
  11.   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,实现在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需要的各个桩函数:

  1.  
  2. int _system     (const char *); 
  3. int _rename     (const char *, const char *); 
  4. int _isatty     (int); 
  5. clock_t _times      (struct tms *); 
  6. int _gettimeofday   (struct timeval *, void *); 
  7. int _unlink     (const char *); 
  8. int _link       (const char *, const char *); 
  9. int _stat       (const char *, struct stat *); 
  10. int _fstat      (int, struct stat *); 
  11. int _swistat    (int fd, struct stat * st); 
  12. void *  _sbrk       (ptrdiff_t); 
  13. pid_t   _getpid     (void); 
  14. int _close      (int); 
  15. clock_t _clock      (void); 
  16. int _swiclose   (int); 
  17. int _open       (const char *, int, ...); 
  18. int _swiopen    (const char *, int); 
  19. int _write      (int, const void *, size_t); 
  20. int _swiwrite   (int, const void *, size_t); 
  21. _off_t  _lseek      (int, _off_t, int); 
  22. _off_t  _swilseek   (int, _off_t, int); 
  23. int _read       (int, void *, size_t); 
  24. int _swiread    (int, void *, size_t); 
  25. void    initialise_monitor_handles (void); 

对于上文提到的函数_open,源码如下。后续不再继续分析了,LiteOS-M内核会提供这些钩子函数的实现。

  1. int 
  2. _open (const char * path, int flags, ...) 
  3.   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。

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