xenomai内核解析---内核对象注册表—xnregistry(重要组件)

Posted 2020-12-18 wsg1100

1. 概述

上篇文章xenomai内核解析--同步互斥机制(一)--优先级倒置讲到,对于所有内核对象：

xnregistry：保存内核对象，提供内核对象存储和快速检索。

xnsynch：资源抽象，提供线程与资源的同步互斥管理机制。

举个应用例子,有两个xenoami任务，使用semaphore做互斥，任务1创建一个名为/test-sem的semaphore，任务2打开这个semaphore，以这个过程为例，带你了解xnregistry。

/*任务1*/
    sem_t *dome_sem;
.....
	dome_sem = sem_open("/test-sem", O_CREAT | O_EXCL, 0666, 0);
	if (dome_sem == SEM_FAILED)
			error(1, errno, "sem_open()");
.....
    sem_wait(dome_sem);
.....
	sem_post(dome_sem);
.....

/*任务2*/
    sem_t *dome_sem;
.....
	dome_sem = sem_open("/test-sem", 0);
	if (dome_sem == SEM_FAILED)
			error(1, errno, "sem_open()");
.....
    sem_wait(dome_sem);
.....
	sem_post(dome_sem);
.....

• 问题1：任务1创建的这个semaphore是如何管理的？
• 问题2：任务2又是如何通过name找到它的？

本片文章解析xenomai内核中的xnregistry。至于xenomai semaphore具体的内核机制及创建流程，以后文章介绍，敬请关注。

2. 命名内核对象管理

xnregistry用于保存xenomai全局内核对象。这些对象分为两种，一种有name，常用于两个及以上进程间，可以通过name来找到同一对象。另一种没有name，常用于同一进程空间。

涉及通过字符串name来查找的内核对象称为命名内核对象，xenomai内核中名内核对象有：有名信号量(sem)、有名消息队列(mq)、进程间通过label相互通讯的xddp/bufp/iddp等。

创建命名对象的时候，

1. 先从register_obj_solts中分配一个xnobject；
2. 然后将name作为xnobject成员key，具体对象（cobalt_sem）的地址作为value保存到xnobject的成员objaddr中。
3. 向xnregistry中存储该xnobject时，会将name作为key经过hash运算，根据运算得到的hash值s,选择合适的hash bucket，该bucket在xenomai中为object_index[]，然后将xnobject插入选定的object_index[s]链表中。
4. 当另一个线程open同一name的对象时，通过name可从object_index[]中快速得到该内核对象。

name只在创建和通过name查找时使用，一个对象通过name查找或创建后会保存一个xnhandlet，后续操作使用xnhandlet代替，提高xnobjet的访问速度。

创建时注册cobalt_sem流程如下所示。

• register_obj_solts用于保存型号量这个xnobject，上面的问题1.
• object_index用于检索，上面的问题2。

我们接着来看创建后保存的这个xnhandlet，cobalt_sem创建完成后会保存xnhandlet到信号量句柄sem_t中，并拷贝到用户空间，我们可以来看一下libcobalt中的句柄sem_t的形式：

struct cobalt_sem_shadow {
    __u32 magic;
    __s32 state_offset;
    xnhandle_t handle;
} shadow_sem;

从上面图中我们可以看到xnhandlet是一个偏移量，表示这个xnobject基于register_obj_solts的地址偏移，为什么要直接保存到句柄sem_t中呢？sem_wait()/sem_post()操作进入内核的时候就可以直接去获取xnobject做相应的操作了。

另外想一下，一个运行在用户态的实时应用，每次PV操作的时候都需要执行系统调用，对实时系统来说不太友好，毕竟系统调用也是需要花费时间的，xnhandlet只能解决内核里定位xnobject的速度问题，我们能不能不要每次都执行系统调用呢？答案是肯定的，xenomai有相应的机制，请关注后续文章，呵呵~~。

3. 未命名内核对象管理

上面说完了命名内核对象，下面来看未命名内核对象，即非跨进程共享的。

对于没有name的内核对象，通过xnregistry提供的匿名接口来保存。所谓的匿名保存，key为NULL，具体对象（cobalt_sem）的地址作为value到一个分配的结构体xnobject后，不经hash运算，直接计算xnobject基于某个固定地址的偏移量xnhandle_t，通常xnhandle_t会在用户空间的对象结构体中保存一份，比如sem_t、pthread_mutex_t等；之后用户空间对该对象发起系统调用时就可以通过xnhandle_t快速从xnregistry获取该对象，使用匿名的内核对象有：进程间的互斥量mutex、未命名信号量sem、条件变量condition variable、事件event、monitor。

同样以未命名信号量为例，内核对象cobalt_sem注册流程如下。

4. xnregistry初始化流程

图中resitry_obj_slots[]其大小内核构建时CONFIG_XENO_OPT_REGISTRY_NRSLOTS指定，默认大小512，具体内存在xenomai初始化时调用xnregistry_init()初始化xnregistry时分配。

static int __init xenomai_init(void)
    ->sys_init()
    	->xnregistry_init()

xnregistry_init()具体流程如下。

int xnregistry_init(void)
{
	int n, ret __maybe_unused;

	registry_obj_slots = kmalloc(CONFIG_XENO_OPT_REGISTRY_NRSLOTS *
				     sizeof(struct xnobject), GFP_KERNEL);
	.....
#ifdef CONFIG_XENO_OPT_VFILE
	ret = xnvfile_init_dir("registry", &registry_vfroot, &cobalt_vfroot);
	ret = xnvfile_init_regular("usage", &usage_vfile, &registry_vfroot);
 	proc_apc = xnapc_alloc("registry_export", &registry_proc_schedule, NULL);
#endif /* CONFIG_XENO_OPT_VFILE */
	next_object_stamp = 0;

	for (n = 0; n < CONFIG_XENO_OPT_REGISTRY_NRSLOTS; n++) {
		registry_obj_slots[n].objaddr = NULL;
		list_add_tail(&registry_obj_slots[n].link,
                      &free_object_list);
	}
	/* Slot #0 is reserved/invalid. */
	list_get_entry(&free_object_list, struct xnobject, link);
	nr_active_objects = 1;

	nr_object_entries = xnregistry_hash_size();
	object_index = kmalloc(sizeof(*object_index) *
				      nr_object_entries, GFP_KERNEL);
    
	for (n = 0; n < nr_object_entries; n++)
		INIT_HLIST_HEAD(&object_index[n]);
    
	xnsynch_init(&register_synch, XNSYNCH_FIFO, NULL);
	return 0;
}

1.先分配CONFIG_XENO_OPT_REGISTRY_NRSLOTS个xnobject的空间，xenomai运行过程中的xnobject从registry_obj_slots中直接获取，这样就避免频繁的内存申请影响实时性。struct xnobject结构如下：

struct xnobject {
	void *objaddr;
	const char *key;	  /* !< Hash key. May be NULL if anonynous. */
	unsigned long cstamp;		  /* !< Creation stamp. */
#ifdef CONFIG_XENO_OPT_VFILE
	struct xnpnode *pnode;	/* !< v-file information class. */
	union {
		struct {
			struct xnvfile_rev_tag tag;
			struct xnvfile_snapshot file;
		} vfsnap; /* !< virtual snapshot file. */
		struct xnvfile_regular vfreg; /* !< virtual regular file */
		struct xnvfile_link link;     /* !< virtual link. */
	} vfile_u;
	struct xnvfile *vfilp;
#endif /* CONFIG_XENO_OPT_VFILE */
	struct hlist_node hlink; /* !< Link in h-table */
	struct list_head link;
};

objaddr指向具体的内核对象，如cobalt_sem、cobalt_mutex等。

*key 对象的name或label，用户程序可使用name来操作内核对象，具有name的内核对象会保存到一个hash表中，方便通过name查找。如果key为NULL，则不用。

vfilp、vfile_u、pnode 注册到linux虚拟文件系统常用变量。

hlink用于加入hash链表。

link 该对象如果未使用则用于加入空闲链表free_object_list，否则用于加入已使用链表busy_object_list。

2. 在linux虚拟文件系统proc目录下创建registry目录，以及文件usage，注册后可通过/proc/xenomai/registry/usage查看xnobject的使用情况。

$ cat /proc/xenomai/registry/usage 
7/512

3. 将刚分配的空闲xnobject插入free_object_list链表。
4. 将free_object_list的第一个xnobject节点保留，记录xnobject已使用数nr_active_objects。
5. 分配散列表object_index[]的空间，并初始化。
6. 初始化registry资源同步对象register_synch,register_synch

5. xnregistry总结

xnregistry：保存内核对象，提供内核对象存储和快速检索。

xnsynch：资源抽象，提供线程与资源的同步互斥管理机制。

xnsynch、xnregistry是xenomai内核机制非常重要的组件，明白他们xenomai的资源管理机制就明白大半了。