摘要：本文介紹了LiteOS-M內核Newlib C的實現，特別是文件系統和內存分配釋放部分，最後介紹了Newlib鉤子函數。
本文分享自華爲雲社區《鴻蒙輕內核M核源碼分析系列二十 Newlib C》，作者： zhushy。
使用Musl C庫的時候，內核提供了基於LOS_XXX適配實現pthread、mqeue、fs、semaphore、time等模塊的posix接口（//kernel/liteos_m/kal/posix）。內核提供的posix接口與musl中的標準C庫接口共同組成LiteOS-M的LibC。編譯時使用arm-none-eabi-gcc，但只使用其工具鏈的編譯功能，通過加上-nostdinc與-nostdlib強制使用我們自己改造後的musl-C。
社區及三方廠商開發多使用公版工具鏈arm-none-eabi-gcc加上私有定製優化進行編譯，LiteOS-M內核也支持公版arm-none-eabi-gcc C庫編譯內核運行。newlib是小型C庫，針對posix接口涉及系統調用的部分，newlib提供一些需要系統適配的鉤子函數，例如_exit()，_open()，_close()，_gettimeofday()等，操作系統適配這些鉤子，就可以使用公版newlib工具鏈編譯運行程序。
1、Newlib C文件系統
在使用Newlib C並且使能支持POSIX FS API時（可以在kernel\liteos-m\目錄下，執行make meuconfig彈出配置界面，路徑爲Compat-Choose libc implementation），如下圖所示。可以使用文件kal\libc\newlib\porting\src\fs.c中定義的文件系統操作接口。這些是標準的POSIX接口，如果想了解POSIX用法，可以在linux平臺輸入 man -a 函數名稱，比如man -a opendir來打開函數的手冊。
1.1 函數mount、umount和umount2
這些函數的用法，函數實現和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
以下劃線開頭的函數實現是newlib c的鉤子函數實現。有關newlib的鉤子函數調用過程下文專門分析下。
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沒有使能使能支持POSIX FS API時時，需要提供這些鉤子函數的空的實現，返回-1錯誤碼即可。
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內存分配釋放
newlibc 的malloc適配參考The Red Hat newlib C Library-malloc。實現malloc適配有以下兩種方法：
- 實現 _sbrk_r 函數。這種方法中，內存分配函數使用newlib中的。
- 實現 _malloc_r, _realloc_r, _free_r, _memalign_r, _malloc_usable_size_r等。這種方法中，內存分配函數可以使用內核的。
爲了方便地根據業務進行內存分配算法調優和問題定位，推薦選擇後者。內核的內存函數定義在文件kal\libc\newlib\porting\src\malloc.c中。源碼片段如下，代碼實現比較簡單，不再分析源碼。
...... 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); } ......
可能已經注意到函數命名由__wrap_加上鉤子函數名稱兩部分組成。這是因爲newlib中已經存在這些函數的符號，因此需要用到gcc的wrap的鏈接選項替換這些函數符號爲內核的實現，在設備開發板的配置文件中，比如//device/board/fnlink/v200zr/liteos_m/config.gni，新增這些函數的wrap鏈接選項，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鉤子函數介紹
以open函數的鉤子函數_open爲例來介紹newlib的鉤子函數的調用過程。open()函數實現在newlib-cygwin\newlib\libc\syscalls\sysopen.c中，該函數會進一步調用函數_open_r，這是個可重入函數Reentrant Function，支持在多線程中運行。
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; }
所有的可重入函數定義在文件夾newlib-cygwin\newlib\libc\reent，函數_open_r定義在該文件夾的文件newlib-cygwin\newlib\libc\reent\openr.c裏。函數代碼如下：
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; }
函數_open_r如上述代碼所示，會進一步調用函數_open，該函數，以arm硬件平臺爲例，實現在newlib-cygwin\libgloss\arm\syscalls.c文件裏。newlib目錄是和硬件平臺無關的痛毆他那個功能實現，libloss目錄是底層的驅動實現，以各個硬件平臺爲文件夾進行組織。在特定硬件平臺的目錄下的syscalls.c文件裏面實現了newlib需要的各個樁函數：
/* 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);
對於上文提到的函數_open，源碼如下。後續不再繼續分析了，LiteOS-M內核會提供這些鉤子函數的實現。
int _open (const char * path, int flags, ...) { return _swiopen (path, flags); }