鸿蒙轻内核源码分析：Newlib C

PHP小丑

摘要：本文介绍了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。

本文分享自华为云社区《鸿蒙轻内核M核源码分析系列二十 Newlib C》，作者： zhushy。
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。

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。

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，需要提供这些钩子函数的空的实现，返回-1错误码即可。

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：

实现 _sbrk_r 函数。这种方法中，内存分配函数使用newlib中的。
实现 _malloc_r, _realloc_r, _free_r, _memalign_r, _malloc_usable_size_r等。这种方法中，内存分配函数可以使用内核的。

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。源码片段如下，代码实现比较简单，不再分析源码。

......
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：

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。

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：

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：

/* 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);
voidinitialise_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。

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

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