鸿蒙轻内核M核源码分析：LibC实现之Musl LibC

Posted 2022-02-12 华为云开发者社区

摘要：本文学习了LiteOS-M内核Musl LibC的实现，特别是文件系统和内存分配释放部分。

本文分享自华为云社区《鸿蒙轻内核M核源码分析系列十九 Musl LibC》，作者：zhushy。

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Musl LibC的实现代码。文中所涉及的源码，均可以在开源站点kernel_liteos_m: LiteOS kernel for devices with few resources, such as the MCU | 适用于MCU等各种资源极小设备的LiteOS内核 获取。LiteOS-M内核提供了和内核相关的文件系统、内存申请释放接口，其他接口可以直接使用Musl提供的。我们分别来看下内核提供的接口部分。

1、Musl LibC文件系统

在使用Musl LibC并且使能支持POSIX FS API时，可以使用文件kal\\libc\\musl\\fs.c中定义的文件系统操作接口。这些是标准的POSIX接口，如果想了解其用法，可以参考Section 2: system calls。可以在网页上搜索，也可以直接把上述网址和函数名称进行拼接，如对于mount()函数，可以直接访问https://linux.die.net/man/2/mount。opendir等部分函数需要在Section 3: library functions网页上查看。下文快速记录下各个函数的使用方法。

1.1 函数mount

函数mount会挂载source参数（通常是设备名称，也可以是目录）指定的文件系统到target参数指定的目录。文件系统类型LiteOS-M内核支持"fat"和"littlefs"两种类型。"littlefs"文件系统不需要挂载选项参数mountflags。对于fat文件类型，挂载选项参数定义在文件third_party\\musl\\porting\\liteos_m\\kernel\\include\\sys\\mount.h中，如MS_RDONLY、MS_NOSUID、MS_REMOUNT等等。参数data由文件系统进行解析，fat文件类型不需要该参数；"littlefs"文件系统需要传入的data参数应该为 (struct lfs_config*)指针类型。

该函数会调用components\\fs\\vfs\\los_fs.c中的函数LOS_FsMount，后文会专门讲解FS VFS。

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);

1.2 函数umount和umount2

函数umount, umount2用于unmount卸载文件系统。参数target指定要卸载的文件系统。函数umount2除了卸载，还可以指定flag参数来控制卸载行为。支持的参数定义在third_party\\musl\\porting\\liteos_m\\kernel\\include\\sys\\mount.h，如MNT_FORCE、MNT_DETACH、MNT_EXPIRE和UMOUNT_NOFOLLOW。

int umount(const char *target)

    return LOS_FsUmount(target);


int umount2(const char *target, int flag)

    return LOS_FsUmount2(target, flag);

1.3 函数open、close和unlink

函数open用于打开一个文件或设备，可能会先创建文件或设备。参数path指定文件或设备的路径，参数oflag需要使用下面的访问模式O_RDONLY, O_WRONLY, O_RDWR中的一个，这几个定义在文件third_party\\musl\\porting\\liteos_m\\kernel\\include\\fcntl.h。third_party\\musl\\porting\\liteos_m\\kernel\\include\\bits\\fcntl.h。另外，还有些其他文件创建标签或文件状态标签可以通过逻辑与进行指定。文件创建标签有O_CLOEXEC, O_CREAT, O_DIRECTORY, O_EXCL, O_NOCTTY, O_NOFOLLOW, O_TRUNC和O_TTY_INIT。其余的为文件状态标签，这些标签定义文件中third_party\\musl\\porting\\liteos_m\\kernel\\include\\bits\\fcntl.h中。可以访问https://linux.die.net/man/2/open了解这些标签的详细用法。

函数open返回值为文件描述符file descriptor，会被其他函数如read, write, lseek, fcntl等使用。函数close用于关闭一个文件描述符，使fd不再引用任何文件，可被再次重用。函数unlink用于删除path路径指定的文件。

int open(const char *path, int oflag, ...)

    va_list vaList;
    va_start(vaList, oflag);
    int ret;
    ret = LOS_Open(path, oflag, vaList);
    va_end(vaList);
    return ret;


int close(int fd)

    return LOS_Close(fd);


int unlink(const char *path)

    return LOS_Unlink(path);

1.4 函数read和write

函数read尝试从fd中读取nbyte字节的数据到buf开始的缓存里，读取成功时返回读取的字节数目。函数write把buf处开始的nbyte字节数据写入fd引用的文件里，写入成功时返回实际写入的字节数目。

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);

1.5 函数lseek

函数lseek用于重新定位文件读写的偏移位置。参数whence取值为SEEK_SET、SEEK_CUR或SEEK_END，定义在文件third_party\\musl\\porting\\liteos_m\\kernel\\include\\fcntl.h。

• SEEK_SET
  偏移设置在offset字节处。
• SEEK_CUR
  偏移设置在当前位置加上offset字节处。
• SEEK_END
  偏移设置在文件大小加上offset字节处。

函数执行成功时，返回值为从文件开头的偏移字节数值。

off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence)

    return LOS_Lseek(fd, offset, whence);

1.6 函数fstat、stat和statfs

函数fstat和stat用于获取文件的状态state，参数参数分别是文件描述符和文件路径。参数中的struct stat结构体定义在文件third_party\\musl\\porting\\liteos_m\\kernel\\include\\bits\\stat.h中。
函数statfs返回文件系统统计statistics数据，结构体struct statfs定义在文件third_party\\musl\\porting\\liteos_m\\kernel\\include\\bits\\statfs.h中。

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 statfs(const char *path, struct statfs *buf)

    return LOS_Statfs(path, buf);

1.7 函数mkdir、opendir、readir、closedir和rmdrir

函数mkdir用于创建一个目录，目录名称由参数path指定。参数mode指定目录权限。创建成功返回0，否则返回-1。
函数opendir用于打开一个目录流a directory stream，目录名称由参数dirName指定，返回一个执行目录刘的指针。发生错误时，返回NULL，并设置errno。返回值类型DIR是struct __dirstream的别名，定义在文件中third_party\\musl\\porting\\liteos_m\\kernel\\include\\dirent.h。可以访问https://linux.die.net/man/3/opendir了解更多关于该函数的信息。
函数readdir用于读取一个目录，返回一个struct dirent结构体指针，代表目录流DIR *dir中的下一个目录条目directory entry。到达目录流尾部或错误时，返回NULL。结构体定义在文件third_party\\musl\\porting\\liteos_m\\kernel\\include\\bits\\dirent.h中。可以访问https://linux.die.net/man/3/readdir了解更多关于该函数的信息。
函数closedir用于关闭一个目录。函数rmdir用于删除一个目录，只有空目录才会被删除。

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);

1.8 函数fsync

函数mkdir用于同步内存中所有已修改的文件数据到储存设备。可以访问https://linux.die.net/man/3/fsync了解更多关于该函数的信息。

int fsync(int fd)

    return LOS_Fsync(fd);

1.9 函数rename

函数rename用于重命名一个文件。可以访问https://linux.die.net/man/3/rename了解更多关于该函数的信息。

int rename(const char *oldName, const char *newName)

    return LOS_Rename(oldName, newName);

1.10 函数ftruncate

函数ftruncate用于截断一个文件到指定的长度。可以访问https://linux.die.net/man/3/ftruncate了解更多关于该函数的信息。

int ftruncate(int fd, off_t length)

    return LOS_Ftruncate(fd, length);

2、Musl LibC内存分配释放

LiteOS-M内核提供了内存分配释放函数。这些是标准的POSIX接口，如果想了解其用法，可以参考Section 3: library functions。可以在网页上搜索，也可以直接把上述网址和函数名称进行拼接，如对于malloc()函数，可以直接访问https://linux.die.net/man/3/malloc。opendir等部分函数需要在网页上查看。下文快速记录下各个函数的使用方法。

2.1 函数malloc、free和memalign

函数malloc和free分别调用内核内存模块的接口来实现内存申请和释放。函数memalign可以以指定的内存对齐大小来申请内存。

void free(void *ptr)

    if (ptr == NULL) 
        return;
    

    LOS_MemFree(OS_SYS_MEM_ADDR, ptr);


void *malloc(size_t size)

    if (size == 0) 
        return NULL;
    

    return LOS_MemAlloc(OS_SYS_MEM_ADDR, size);

void *memalign(size_t boundary, size_t size)

    if (size == 0) 
        return NULL;
    

    return LOS_MemAllocAlign(OS_SYS_MEM_ADDR, size, boundary);

2.2 函数malloc、free和memalign

函数calloc在内存的动态存储区中分配nitems个长度为size的连续空间，函数返回一个指向分配起始地址的指针；如果分配不成功，返回NULL。
函数zalloc和malloc的区别是，申请成功后，对申请的内存区域置0。函数realloc用于重新申请一块内存区域。

void *calloc(size_t nitems, size_t size)

    size_t real_size;
    void *ptr = NULL;

    if (nitems == 0 || size == 0) 
        return NULL;
    

    real_size = (size_t)(nitems * size);
    ptr = LOS_MemAlloc(OS_SYS_MEM_ADDR, real_size);
    if (ptr != NULL) 
        (void)memset_s(ptr, real_size, 0, real_size);
    
    return ptr;

void *zalloc(size_t size)

    void *ptr = NULL;

    if (size == 0) 
        return NULL;
    

    ptr = LOS_MemAlloc(OS_SYS_MEM_ADDR, size);
    if (ptr != NULL) 
        (void)memset_s(ptr, size, 0, size);
    
    return ptr;


void *realloc(void *ptr, size_t size)

    if (ptr == NULL) 
        return malloc(size);
    

    if (size == 0) 
        free(ptr);
        return NULL;
    

    return LOS_MemRealloc(OS_SYS_MEM_ADDR, ptr, size);

小结

本文学习了LiteOS-M内核Musl LibC的实现，特别是文件系统和内存分配释放部分。时间仓促和能力关系，如有失误，欢迎指正。感谢阅读，如有任何问题、建议，都可以博客下留言给我，谢谢。

参考资料

• library functions - Linux man pages
• system calls - Linux man pages

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