鸿蒙轻内核源码分析：Newlib C
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); 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。
int _open (const char * path, int flags, ...) { return _swiopen (path, flags); }
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