OpenHarmony LiteOS-M內(nèi)核的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

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蔣衛(wèi)峰

深圳開鴻數(shù)字產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司

OS內(nèi)核開發(fā)工程師

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一、前言

OpenAtom OpenHarmony（以下簡(jiǎn)稱“OpenHarmony”）是由開放原子開源基金會(huì)（OpenAtom Foundation）孵化及運(yùn)營的開源項(xiàng)目，目標(biāo)是面向全場(chǎng)景、全連接、全智能時(shí)代，基于開源的方式，搭建一個(gè)智能終端設(shè)備操作系統(tǒng)的框架和平臺(tái)，促進(jìn)萬物互聯(lián)產(chǎn)業(yè)的繁榮發(fā)展。

作為面向全場(chǎng)景、全連接、全智能的分布式泛終端操作系統(tǒng)，OpenHarmony通過將各類不同終端設(shè)備的能力進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)硬件互助、資源共享，為用戶提供流暢的全場(chǎng)景體驗(yàn)。為了能適應(yīng)各種硬件，OpenHarmony提供了LiteOS、Linux內(nèi)核，并基于這些內(nèi)核形成了不同的系統(tǒng)類型，同時(shí)又在這些系統(tǒng)中構(gòu)建了一套統(tǒng)一的系統(tǒng)能力。

OpenHarmony LiteOS-M內(nèi)核是面向IoT領(lǐng)域構(gòu)建的輕量級(jí)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核，LiteOS-M核為任務(wù)間通信提供了多種機(jī)制，包括隊(duì)列、事件、互斥鎖和信號(hào)量。各機(jī)制涉及到哪些關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)？這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)又是如何工作的？接下來我將從隊(duì)列、事件、互斥鎖、信號(hào)量幾個(gè)內(nèi)核對(duì)象出發(fā)，為大家講解內(nèi)核IPC機(jī)制的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

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二、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)--隊(duì)列

隊(duì)列又稱消息隊(duì)列，是一種常用于任務(wù)間通信的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以在任務(wù)間傳遞消息內(nèi)容或消息的地址。內(nèi)核用隊(duì)列控制塊來管理消息隊(duì)列，同時(shí)又使用雙向環(huán)形鏈表來管理控制塊。 ?

隊(duì)列控制塊：管理具體消息隊(duì)列的數(shù)據(jù)塊，內(nèi)核初始化時(shí)調(diào)用OsQueueInit()創(chuàng)建，并依次掛載到雙向環(huán)形鏈表g_freeQueueList中，此時(shí)控制塊狀態(tài)為OS\_QUEUE\_UNUSED，隊(duì)列控制塊用來保存隊(duì)列的狀態(tài)，隊(duì)列長度、消息長度、隊(duì)列ID、隊(duì)列頭尾位置和等待讀寫的任務(wù)列表，內(nèi)核就是根據(jù)這些信息來管理消息隊(duì)列和任務(wù)完成對(duì)消息讀寫等操作。

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 typedef struct {            UINT8 *queue;             UINT16 queueState;            UINT16 queueLen;             UINT16 queueSize;             UINT16 queueID;             UINT16 queueHead;             UINT16 queueTail;             UINT16 readWriteableCnt[OS_READWRITE_LEN];             LOS_DL_LIST readWriteList[OS_READWRITE_LEN];            LOS_DL_LIST memList;????}LosQueueCB;　　

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初始化后隊(duì)列控制塊的組織方式如下：

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創(chuàng)建隊(duì)列：隊(duì)列用于存放具體的消息內(nèi)容，任務(wù)可以調(diào)用LOS\_QueueCreate()來創(chuàng)建隊(duì)列，此時(shí)內(nèi)核會(huì)根據(jù)入?yún)⒅付ǖ年?duì)列長度和消息大小申請(qǐng)內(nèi)存創(chuàng)建隊(duì)列，并從g\_freeQueueList中分配一個(gè)控制塊來管理隊(duì)列，被分配的隊(duì)列控制塊狀態(tài)為OS\_QUEUE\_INUSED。分配隊(duì)列控制塊時(shí)總是從頭節(jié)點(diǎn)開始，如下圖控制塊０首先被分配用于管理新創(chuàng)建的隊(duì)列。

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寫隊(duì)列：內(nèi)核支持兩種寫隊(duì)列方式：從尾部寫入LOS\_QueueWrite()和 從頭部寫入LOS\_QueueWriteHead()：

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讀隊(duì)列：讀隊(duì)列只有一種方式，從隊(duì)列頭部讀LOS\_QueueRead()，讀取之后head指向下個(gè)節(jié)點(diǎn)。

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刪除隊(duì)列：當(dāng)不再使用隊(duì)列時(shí)可以使用LOS\_QueueDelete()來刪除隊(duì)列，此時(shí)會(huì)歸還隊(duì)列控制塊到g_freeQueueList中，并釋放消息隊(duì)列：

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三、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)--事件

事件用于實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的同步，但事件通信只能是事件類型的通信，無數(shù)據(jù)傳輸，事件控制塊由任務(wù)申請(qǐng)，內(nèi)核負(fù)責(zé)維護(hù)。 ?

事件控制塊：事件控制塊用來記錄事件和管理等待讀取事件的任務(wù)。uwEventID總共32bit代表31個(gè)事件（bit25保留），stEventList事件控制塊的雙向環(huán)形鏈表，當(dāng)有任務(wù)讀取事件但事件還沒發(fā)生時(shí)任務(wù)會(huì)被掛載鏈表中，當(dāng)事件發(fā)生時(shí)系統(tǒng)喚醒等待事件的任務(wù)，此時(shí)任務(wù)就會(huì)被摘出鏈表。

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  typedef struct tagEvent {        UINT32 uwEventID;               LOS_DL_LIST stEventList;  ????}?EVENT_CB_S,?*PEVENT_CB_S;

事件初始化：事件控制塊由任務(wù)創(chuàng)建，然后調(diào)用LOS_EventInit()進(jìn)行初始化，初始化后的狀態(tài)如下：

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事件讀：當(dāng)事件沒有發(fā)生時(shí)，讀事件操作會(huì)引發(fā)系統(tǒng)調(diào)度，把當(dāng)前任務(wù)掛起并加入到stEventList鏈表，下圖中事件1發(fā)生，任務(wù)Task1讀取事件2，但是事件2沒有發(fā)生導(dǎo)致Task1被掛起。

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事件寫：當(dāng)事件2發(fā)生時(shí)，任務(wù)Task2把事件2寫入uwEventID，此時(shí)任務(wù)Task1被調(diào)度讀取事件成功，事件2對(duì)應(yīng)bit位被清0（也可以不清0），Task1從鏈表stEventList中被摘出。

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事件刪除：事件控制塊是由任務(wù)創(chuàng)建的，內(nèi)核不負(fù)責(zé)控制塊的刪除，但是任務(wù)可以調(diào)用LOS\_EventClear來清除事件。

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四、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)--互斥鎖

互斥鎖又稱互斥型信號(hào)量，是一種特殊的二值性信號(hào)量，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)共享資源的獨(dú)占式處理。任意時(shí)刻互斥鎖的狀態(tài)只有開鎖或閉鎖，當(dāng)有任務(wù)持有時(shí)，互斥鎖處于閉鎖狀態(tài)，任務(wù)獲得該互斥鎖的所有權(quán)；當(dāng)該任務(wù)釋放它時(shí)，互斥鎖被開鎖，任務(wù)失去該互斥鎖的所有權(quán)；當(dāng)一個(gè)任務(wù)持有互斥鎖時(shí)，其他任務(wù)將不能再對(duì)該互斥鎖進(jìn)行開鎖或持有。

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互斥鎖控制塊：互斥鎖控制塊資源由內(nèi)核創(chuàng)建和維護(hù)，內(nèi)核初始化時(shí)會(huì)調(diào)用函數(shù)OsMuxInit()對(duì)鎖資源進(jìn)行初始化。等待互斥鎖的任務(wù)會(huì)被掛載到muxList中。?

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    typedef struct {            UINT8 muxStat;       /**< State OS_MUX_UNUSED,OS_MUX_USED  */            UINT16 muxCount;     /**< Times of locking a mutex */            UINT32 muxID;        /**< Handle ID */            LOS_DL_LIST muxList; /**< Mutex linked list */            LosTaskCB *owner;    /**< The current thread that is locking a mutex */            UINT16 priority;     /**< Priority of the thread that is locking a mutex */????}?LosMuxCB;

初始化時(shí)內(nèi)核會(huì)申請(qǐng)LOSCFG\_BASE\_IPC\_MUX\_LIMIT個(gè)鎖資源，并把各資源塊掛載到雙向環(huán)形鏈表g\_unusedMuxList中，全局變量g\_allMux指向鎖資源內(nèi)存首地址，后續(xù)根據(jù)首地址加ID方式快速查找對(duì)應(yīng)的控制塊：

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互斥鎖創(chuàng)建：任務(wù)調(diào)用LOS\_MuxCreate()創(chuàng)建互斥鎖，內(nèi)核會(huì)從g_unusedMuxList的頭部分配一個(gè)鎖資源給任務(wù)。

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互斥鎖申請(qǐng)：任務(wù)調(diào)用LOS\_MuxPend()申請(qǐng)互斥鎖，如果鎖被其它任務(wù)持有，則任務(wù)在muxList上排隊(duì)。

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互斥鎖釋放：任務(wù)調(diào)用LOS\_MuxPost()釋放互斥鎖，如果有其它任務(wù)排隊(duì)，則觸發(fā)調(diào)度釋放鎖給排隊(duì)任務(wù)。

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互斥鎖刪除：任務(wù)調(diào)用LOS\_MuxDelete()刪除互斥鎖，如果刪除成功鎖資源被歸還到g\_unusedMuxList中。

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五、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)--信號(hào)量

信號(hào)量實(shí)現(xiàn)任務(wù)之間同步或臨界資源的互斥訪問的一種同步機(jī)制，常用于協(xié)助一組相互競(jìng)爭(zhēng)的任務(wù)來訪問臨界資源。在多任務(wù)系統(tǒng)中，各任務(wù)之間需要同步或互斥實(shí)現(xiàn)臨界資源的保護(hù)，信號(hào)量功能可以為用戶提供這方面的支持。通常一個(gè)信號(hào)量的計(jì)數(shù)值用于對(duì)應(yīng)有效的資源數(shù)，表示剩下的可被占用的互斥資源數(shù)。

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信號(hào)量控制塊：信號(hào)量控制塊資源由內(nèi)核創(chuàng)建和維護(hù)，內(nèi)核初始化時(shí)會(huì)調(diào)用函數(shù)OsSemInit()對(duì)信號(hào)量資源進(jìn)行初始化。初始化時(shí)申請(qǐng)LOSCFG\_BASE\_IPC\_SEM\_LIMIT個(gè)信號(hào)量控制塊，g\_allSem指向信號(hào)量控制塊的首地址，創(chuàng)建好的信號(hào)量控制塊會(huì)掛載到空閑鏈表g\_unusedSemList中。申請(qǐng)信號(hào)量的任務(wù)會(huì)在控制塊的鏈表semList上排隊(duì)，semCount指示可以被訪問的資源數(shù)。

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    typedef struct {            UINT16 semStat;      /**< Semaphore state */            UINT16 semCount;     /**< Number of available semaphores */            UINT16 maxSemCount;  /**< Max number of available semaphores */            UINT16 semID;        /**< Semaphore control structure ID */            LOS_DL_LIST semList; /**< Queue of tasks that are waiting on a semaphore */????}?LosSemCB;

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信號(hào)量創(chuàng)建：任務(wù)調(diào)用LOS\_SemCreate()創(chuàng)建信號(hào)量，并指定同一時(shí)刻訪問此資源的最大任務(wù)數(shù)目。內(nèi)核從g\_unusedSemList的頭部分配一個(gè)信號(hào)量控制塊并初始化。

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信號(hào)量申請(qǐng)：任務(wù)調(diào)用LOS\_MuxPend()申請(qǐng)信號(hào)量，如果有資源可以訪問則申請(qǐng)成功，否則在semList上排隊(duì)等候。

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信號(hào)量釋放：任務(wù)調(diào)用LOS\_SemPost()釋放信號(hào)量，如果有其它任務(wù)排隊(duì)，則觸發(fā)調(diào)度使排隊(duì)任務(wù)訪問資源。

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信號(hào)量刪除：任務(wù)調(diào)用LOS\_SemDelete()刪除信號(hào)量，如果刪除成功，鎖資源被歸還到g\_unusedSemList的頭部。

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六、總結(jié)

本篇文章通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的隊(duì)列、事件、互斥鎖、信號(hào)量四大方面對(duì)內(nèi)核IPC機(jī)制數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析，希望以上的講解能給大家建立一個(gè)IPC機(jī)制的整體認(rèn)識(shí)。

關(guān)于OpenHarmony 內(nèi)核的內(nèi)容，之前我還介紹了內(nèi)核對(duì)象隊(duì)列的算法以及OpenHarmony LiteOS-M 內(nèi)核事件的運(yùn)作機(jī)制，感興趣的讀者可以點(diǎn)擊閱讀：《OpenHarmony——內(nèi)核對(duì)象隊(duì)列之算法詳解（上）》、《OpenHarmony——內(nèi)核對(duì)象隊(duì)列之算法詳解（下）》、《OpenHarmony——內(nèi)核對(duì)象事件之源碼詳解》。

紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。所有知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力，都必須躬身實(shí)踐，愿所有熱愛OpenHarmony的開發(fā)者，在未來的開發(fā)工作中學(xué)真知、悟真諦，加強(qiáng)磨煉、增長本領(lǐng)，為OpenHarmony生態(tài)的繁榮發(fā)展不斷前行！