鸿蒙轻内核源码分析：Newlib C

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 kernelliteos-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 kallibcnewlibportingsrcfs.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

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 kallibcnewlibportingsrcmalloc.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-cygwinnewliblibcsyscallssysopen.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-cygwinnewliblibcreent，函数_open_r 定义在该文件夹的文件 newlib-cygwinnewliblibcreentopenr.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-cygwinlibglossarmsyscalls.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);
}

审核编辑 黄宇