鴻蒙OS的系統調用是如何實現的？ | 解讀鴻蒙源碼
本文將首先帶您回顧「系統調用」的概念以及它的做用，而後從經典的Hello World開始，逐行代碼層層分析——鴻蒙OS的系統調用是如何實現的。html
寫在前面
9月10號 華爲開發者大會（HDC）上，華爲向廣大開發者宣佈了鴻蒙2.0系統開源，源碼託管在國內源碼託管平臺「碼雲」上：https://openharmony.gitee.com/java
我也第一時間從碼雲下載了鴻蒙系統的源代碼，並進行了編譯和分析。當晚回看了HDC上的關於鴻蒙OS 2.0的主題演講，我的最爲好奇的是——此次開源的liteos-a內核。由於它支持了帶MMU（內存管理單元）的ARM Cortex-A設備；咱們知道，在帶有MMU的處理器上，能夠實現虛擬內存，進而實現進程之間的隔離、內核態和用戶態的隔離等等這些功能。git
系統調用簡介
引用一張官方文檔中的圖片，看看liteos-a內核在整個系統中的位置。 apache
此次開源的鴻蒙系統中同時包含了兩個內核，分別是liteos-a和liteos-m，其中的liteos-m和之前開源的LiteOS至關，而liteos-a是面向應用處理器的操做系統內核，提供了更爲豐富的內核功能。此前已經開源的LiteOS，只是一個實時操做系統（RTOS），它主要面向的是內存和閃存配置都比較低的微控制器。c#
咱們先來簡單回顧一下操做系統課程的一個知識點——系統調用，以及爲何會有系統調用？它的做用是什麼？若是你對於這兩個問題以及瞭然於心，能夠直接跳過本段，看後面的源碼分析部分。數組
在微控制器這樣的系統資源較少的硬件系統（好比STM3二、MSP430、AVR、8051）上，一般直接裸跑程序（也就是不使用任何操做系統），或者使用像FreeRTOS、Zephyr這一類的實時操做系統（RTOS）。這些實時操做系統中，應用程序和內核程序直接運行在同一個物理內存空間（由於這些設備通常沒有MMU）上。而RTOS只提供了線程（或者叫任務），線程間同步、互斥等基礎設施；應用程序能夠直接調用內核函數（用戶程序和內核程序只是邏輯上的劃分，本質上並無太大不一樣）；一旦有一個線程發生異常，整個系統就會重啓。cookie
而在ARM Cortex-A、x8六、x86-64這樣的系統資源豐富的硬件系統上，SoC或CPU芯片內部通常集成了MMU，並且CPU有特權級別狀態（狀態寄存器的某些位）。基於特權級別狀態，能夠實現部分硬件相關的操做只能在內核態進行，例如訪問外設等，用戶態應用程序不能訪問硬件設備。在這樣的系統上，系統調用是用戶態應用程序調用內核功能的請求入口。通俗的說，系統調用就是在有內核態和用戶態隔離的操做系統上，用戶態進程訪問內核態資源的一種方式。架構
從Hello World開始
接下來，咱們一塊兒從鴻蒙系統源碼分析它在liteos-a內核上是如何實現系統調用的。鴻蒙OS使用了musl libc，應用程序和系統服務都經過musl libc封裝的系統調用API接口訪問內核相關功能。app
下面，咱們就從經典的helloworld分析整個系統調用的流程。鴻蒙系統目前官方支持了三個芯片平臺，分別是Hi3516DV300（雙核ARM Cortex A-7 @ 900M Hz），Hi3518EV300（單核ARM Cortex A-7 @ 900MHz 內置64MB DDR2內存）和Hi3861V100（單核RISC-V @160M Hz 內置 SRAM 和 Flash）。其中Hi3516和Hi3518是帶有Cortex A7內核的芯片，鴻蒙系統在這兩個平臺使用的內核天然是liteos-a。根據官方指導文檔，咱們知道這兩個平臺的第一個應用程序示例都是helloworld，源碼路徑爲：applications/sample/camera/app/src/helloworld.c，除去頭部註釋，代碼內容爲：socket
#include <stdio.h>#include "los_sample.h"int main(int argc, char **argv){
printf("\n************************************************\n");
printf("\n\t\tHello OHOS!\n");
printf("\n************************************************\n\n");
LOS_Sample(g_num);
return 0;
}
musl libc的printf函數實現分析
文件路徑：third_party/musl/src/stdio/printf.c：
int printf(const char *restrict fmt, ...){ int ret;
va_list ap;
va_start(ap, fmt);
ret = vfprintf(stdout, fmt, ap);
va_end(ap); return ret;
}
咱們看到了，這裏使用標準庫的stdout做爲第一個參數調用了vfprintf，咱們繼續向下分析third_party/musl/src/stdio/vfprintf.c文件：
int vfprintf(FILE *restrict f, const char *restrict fmt, va_list ap)
{// 刪減若干和參數 f 無關的代碼行
FLOCK(f);
olderr = f->flags & F_ERR; if (f->mode < 1) f->flags &= ~F_ERR; if (!f->buf_size) {
saved_buf = f->buf;
f->buf = internal_buf;
f->buf_size = sizeof internal_buf;
f->wpos = f->wbase = f->wend = 0;
} if (!f->wend && __towrite(f)) ret = -1; else ret = printf_core(f, fmt, &ap2, nl_arg, nl_type); if (saved_buf) {
f->write(f, 0, 0); if (!f->wpos) ret = -1;
f->buf = saved_buf;
f->buf_size = 0;
f->wpos = f->wbase = f->wend = 0;
} if (f->flags & F_ERR) ret = -1;
f->flags |= olderr;
FUNLOCK(f);
va_end(ap2); return ret;
}
這裏，咱們繼續關注三處帶有參數f的調用：__towrite(f)，printf_core(f, fmt, &ap2, nl_arg, nl_type)，f->write(f, 0, 0)；
其中，__towrite的實現位於third_party/musl/src/stdio/__towrite.c（可見和系統調用無關）：
int __towrite(FILE *f)
{
f->mode |= f->mode-1; if (f->flags & F_NOWR) {
f->flags |= F_ERR; return EOF;
} /* Clear read buffer (easier than summoning nasal demons) */
f->rpos = f->rend = 0; /* Activate write through the buffer. */
f->wpos = f->wbase = f->buf;
f->wend = f->buf + f->buf_size; return 0;
}
從內容上看，__towrite函數的做用是更新文件結構FILE的wpos、wbase、wend成員，以指向待寫入實際文件的內存緩衝區域，同時將rpos、rend值爲零。
printf_core的實現也位於src/stdio/vfprintf.c文件：
static int printf_core(FILE *f, const char *fmt, va_list *ap, union arg *nl_arg, int *nl_type){
// 刪除了變量定義部分
for (;;) { /* This error is only specified for snprintf, but since it's
* unspecified for other forms, do the same. Stop immediately
* on overflow; otherwise %n could produce wrong results. */
if (l > INT_MAX - cnt) goto overflow; /* Update output count, end loop when fmt is exhausted */
cnt += l; if (!*s) break; /* Handle literal text and %% format specifiers */
for (a=s; *s && *s!='%'; s++); for (z=s; s[0]=='%' && s[1]=='%'; z++, s+=2); if (z-a > INT_MAX-cnt) goto overflow;
l = z-a; if (f) out(f, a, l); if (l) continue; if (isdigit(s[1]) && s[2]=='$') {
l10n=1;
argpos = s[1]-'0';
s+=3;
} else {
argpos = -1;
s++;
} /* Read modifier flags */
for (fl=0; (unsigned)*s-' '<32 && (FLAGMASK&(1U<<*s-' ')); s++)
fl |= 1U<<*s-' '; /* Read field width */
if (*s=='*') { if (isdigit(s[1]) && s[2]=='$') {
l10n=1;
nl_type[s[1]-'0'] = INT;
w = nl_arg[s[1]-'0'].i;
s+=3;
} else if (!l10n) {
w = f ? va_arg(*ap, int) : 0;
s++;
} else goto inval; if (w<0) fl|=LEFT_ADJ, w=-w;
} else if ((w=getint(&s))<0) goto overflow; /* Read precision */
if (*s=='.' && s[1]=='*') { if (isdigit(s[2]) && s[3]=='$') {
nl_type[s[2]-'0'] = INT;
p = nl_arg[s[2]-'0'].i;
s+=4;
} else if (!l10n) {
p = f ? va_arg(*ap, int) : 0;
s+=2;
} else goto inval;
xp = (p>=0);
} else if (*s=='.') {
s++;
p = getint(&s);
xp = 1;
} else {
p = -1;
xp = 0;
} /* Format specifier state machine */
st=0; do { if (OOB(*s)) goto inval;
ps=st;
st=states[st]S(*s++);
} while (st-1<STOP); if (!st) goto inval; /* Check validity of argument type (nl/normal) */
if (st==NOARG) { if (argpos>=0) goto inval;
} else { if (argpos>=0) nl_type[argpos]=st, arg=nl_arg[argpos]; else if (f) pop_arg(&arg, st, ap); else return 0;
} if (!f) continue;
z = buf + sizeof(buf);
prefix = "-+ 0X0x";
pl = 0;
t = s[-1]; /* Transform ls,lc -> S,C */
if (ps && (t&15)==3) t&=~32; /* - and 0 flags are mutually exclusive */
if (fl & LEFT_ADJ) fl &= ~ZERO_PAD; switch(t) { case 'n': switch(ps) { case BARE: *(int *)arg.p = cnt; break; case LPRE: *(long *)arg.p = cnt; break; case LLPRE: *(long long *)arg.p = cnt; break; case HPRE: *(unsigned short *)arg.p = cnt; break; case HHPRE: *(unsigned char *)arg.p = cnt; break; case ZTPRE: *(size_t *)arg.p = cnt; break; case JPRE: *(uintmax_t *)arg.p = cnt; break;
} continue; case 'p':
p = MAX(p, 2*sizeof(void*));
t = 'x';
fl |= ALT_FORM; case 'x': case 'X':
a = fmt_x(arg.i, z, t&32); if (arg.i && (fl & ALT_FORM)) prefix+=(t>>4), pl=2; if (0) { case 'o':
a = fmt_o(arg.i, z); if ((fl&ALT_FORM) && p<z-a+1) p=z-a+1;
} if (0) { case 'd': case 'i':
pl=1; if (arg.i>INTMAX_MAX) {
arg.i=-arg.i;
} else if (fl & MARK_POS) {
prefix++;
} else if (fl & PAD_POS) {
prefix+=2;
} else pl=0; case 'u':
a = fmt_u(arg.i, z);
} if (xp && p<0) goto overflow; if (xp) fl &= ~ZERO_PAD; if (!arg.i && !p) {
a=z; break;
}
p = MAX(p, z-a + !arg.i); break; case 'c':
*(a=z-(p=1))=arg.i;
fl &= ~ZERO_PAD; break; case 'm': if (1) a = strerror(errno); else
case 's':
a = arg.p ? arg.p : "(null)";
z = a + strnlen(a, p<0 ? INT_MAX : p); if (p<0 && *z) goto overflow;
p = z-a;
fl &= ~ZERO_PAD; break; case 'C':
wc[0] = arg.i;
wc[1] = 0;
arg.p = wc;
p = -1; case 'S':
ws = arg.p; for (i=l=0; i<p && *ws && (l=wctomb(mb, *ws++))>=0 && l<=p-i; i+=l); if (l<0) return -1; if (i > INT_MAX) goto overflow;
p = i;
pad(f, ' ', w, p, fl);
ws = arg.p; for (i=0; i<0U+p && *ws && i+(l=wctomb(mb, *ws++))<=p; i+=l)
out(f, mb, l);
pad(f, ' ', w, p, fl^LEFT_ADJ);
l = w>p ? w : p; continue; case 'e': case 'f': case 'g': case 'a': case 'E': case 'F': case 'G': case 'A': if (xp && p<0) goto overflow;
l = fmt_fp(f, arg.f, w, p, fl, t); if (l<0) goto overflow; continue;
} if (p < z-a) p = z-a; if (p > INT_MAX-pl) goto overflow; if (w < pl+p) w = pl+p; if (w > INT_MAX-cnt) goto overflow;
pad(f, ' ', w, pl+p, fl);
out(f, prefix, pl);
pad(f, '0', w, pl+p, fl^ZERO_PAD);
pad(f, '0', p, z-a, 0);
out(f, a, z-a);
pad(f, ' ', w, pl+p, fl^LEFT_ADJ);
l = w;
} if (f) return cnt; if (!l10n) return 0; for (i=1; i<=NL_ARGMAX && nl_type[i]; i++)
pop_arg(nl_arg+i, nl_type[i], ap); for (; i<=NL_ARGMAX && !nl_type[i]; i++); if (i<=NL_ARGMAX) goto inval; return 1;
inval: // 刪除了錯誤處理代碼overflow: // 刪除了錯誤處理代碼}
從註釋和代碼結構能夠看出，這個函數實現了格式化字符串展開的主要流程，這裏又調用了out和pad兩個函數，從命名猜想應該分別是向內存緩衝區寫入內容和填充內容的函數，它們的實現也位於vfprintf.c中：
static void out(FILE *f, const char *s, size_t l){ if (!(f->flags & F_ERR)) __fwritex((void *)s, l, f);
}static void pad(FILE *f, char c, int w, int l, int fl){ char pad[256]; if (fl & (LEFT_ADJ | ZERO_PAD) || l >= w) return;
l = w - l;
memset(pad, c, l>sizeof pad ? sizeof pad : l); for (; l >= sizeof pad; l -= sizeof pad) out(f, pad, sizeof pad); out(f, pad, l);
}
它們又調用了__fwritex，它的實現位於third_party/musl/src/stdio/fwrite.c：
size_t __fwritex(const unsigned char *restrict s, size_t l, FILE *restrict f)
{
size_t i=0; if (!f->wend && __towrite(f)) return 0; if (l > f->wend - f->wpos) return f->write(f, s, l); if (f->lbf >= 0) { /* Match /^(.*\n|)/ */
for (i=l; i && s[i-1] != '\n'; i--); if (i) {
size_t n = f->write(f, s, i); if (n < i) return n;
s += i;
l -= i;
}
}
memcpy(f->wpos, s, l);
f->wpos += l; return l+i;
}
這裏又出現了vfprintf中出現的f->write(f, s, i)，下面咱們就分析這個函數實際底是什麼？
咱們先找到它的定義prebuilts/lite/sysroot/usr/include/arm-liteos/bits/alltypes.h：
#if defined(__NEED_FILE) && !defined(__DEFINED_FILE)typedef struct _IO_FILE FILE;#define __DEFINED_FILE#endif
以及third_party/musl/src/internal/stdio_impl.h：
struct _IO_FILE {
unsigned flags; unsigned char *rpos, *rend; int (*close)(FILE *); unsigned char *wend, *wpos; unsigned char *mustbezero_1; unsigned char *wbase; size_t (*read)(FILE *, unsigned char *, size_t); size_t (*write)(FILE *, const unsigned char *, size_t); // <--關注它
off_t (*seek)(FILE *, off_t, int); unsigned char *buf; size_t buf_size;
FILE *prev, *next; int fd; int pipe_pid; long lockcount; int mode; volatile int lock; int lbf; void *cookie; off_t off; char *getln_buf; void *mustbezero_2; unsigned char *shend; off_t shlim, shcnt;
FILE *prev_locked, *next_locked; struct __locale_struct *locale;};
咱們再繼續尋找stdout的各個成員值是什麼？
能夠找到third_party/musl/src/stdio/stdout.c文件中的：
static unsigned char buf[BUFSIZ+UNGET];
hidden FILE __stdout_FILE = {
.buf = buf+UNGET,
.buf_size = sizeof buf-UNGET,
.fd = 1, // fd 爲 1 和多數UNIX系統同樣
.flags = F_PERM | F_NORD,
.lbf = '\n',
.write = __stdout_write, // <-- write 成員在這裏
.seek = __stdio_seek,
.close = __stdio_close,
.lock = -1,
};
FILE *const stdout = &__stdout_FILE; // <-- stdout 在這裏
third_party/musl/src/stdio/__stdout_write.c文件中：
size_t __stdout_write(FILE *f, const unsigned char *buf, size_t len)
{ struct winsize wsz;
f->write = __stdio_write; if (!(f->flags & F_SVB) && __syscall(SYS_ioctl, f->fd, TIOCGWINSZ, &wsz))
f->lbf = -1; return __stdio_write(f, buf, len);
}
這段代碼裏調用了SYS_ioctl系統調用，但主體流程是下方的函數__stdio_write，它的實如今third_party/musl/src/stdio/__stdio_write.c文件中：
size_t __stdio_write(FILE *f, const unsigned char *buf, size_t len)
{ struct iovec iovs[2] = {
{ .iov_base = f->wbase, .iov_len = f->wpos-f->wbase },
{ .iov_base = (void *)buf, .iov_len = len }
}; struct iovec *iov = iovs;
size_t rem = iov[0].iov_len + iov[1].iov_len;
int iovcnt = 2;
ssize_t cnt; for (;;) {
cnt = syscall(SYS_writev, f->fd, iov, iovcnt); // <-- 看這裏！
if (cnt == rem) {
f->wend = f->buf + f->buf_size;
f->wpos = f->wbase = f->buf; return len;
} if (cnt < 0) {
f->wpos = f->wbase = f->wend = 0;
f->flags |= F_ERR; return iovcnt == 2 ? 0 : len-iov[0].iov_len;
}
rem -= cnt; if (cnt > iov[0].iov_len) {
cnt -= iov[0].iov_len;
iov++; iovcnt--;
}
iov[0].iov_base = (char *)iov[0].iov_base + cnt;
iov[0].iov_len -= cnt;
}
}
至此，咱們看到了printf函數最終調用到了兩個系統調用SYS_ioctl和SYS_write。
musl libc的syscall函數實現分析
在上一節中，咱們看到printf最終調用到了兩個長得像系統調用的函數syscall和__syscall。
系統調用宏syscall的實現
在musl代碼倉（third_party/musl）下搜索：
$ find . -name '*.h' | xargs grep --color -n '\ssyscall('./kernel/include/unistd.h:198:long syscall(long, ...);
./src/internal/syscall.h:44:#define syscall(...) __syscall_ret(__syscall(__VA_ARGS__))./include/unistd.h:199:long syscall(long, ...);
能夠找到third_party/musl/src/internal/syscall.h：
#define __syscall(...) __SYSCALL_DISP(__syscall,__VA_ARGS__)#define syscall(...) __syscall_ret(__syscall(__VA_ARGS__))
這裏能夠看到它們二者都是宏，而syscall調用了__syscall，而__syscall又調用了__SYSCALL_DISP，它的實現也在同一個文件中：
#define __SYSCALL_NARGS_X(a,b,c,d,e,f,g,h,n,...) n#define __SYSCALL_NARGS(...) __SYSCALL_NARGS_X(__VA_ARGS__,7,6,5,4,3,2,1,0,)#define __SYSCALL_CONCAT_X(a,b) a##b#define __SYSCALL_CONCAT(a,b) __SYSCALL_CONCAT_X(a,b)#define __SYSCALL_DISP(b,...) __SYSCALL_CONCAT(b,__SYSCALL_NARGS(__VA_ARGS__))(__VA_ARGS__)
咱們以__stdio_write中調用syscall處進行分析，即嘗試展開syscall(SYS_writev, f->fd, iov, iovcnt)；
syscall(SYS_writev, f->fd, iov, iovcnt); => __syscall_ret(__syscall(SYS_writev, f->fd, iov, iovcnt)) // 展開syscall=> __syscall_ret(__SYSCALL_DISP(__syscall, SYS_writev, f->fd, iov, iovcnt)); // 展開__syscall
先忽略最外層的 __syscall_ret，展開__SYSCALL_DISP部分：
__SYSCALL_DISP(__syscall, SYS_writev, f->fd, iov, iovcnt) => __SYSCALL_CONCAT(__syscall, __SYSCALL_NARGS(SYS_writev, f->fd, iov, iovcnt))(SYS_writev, f->fd, iov, iovcnt) // 展開 __SYSCALL_DISP
忽略外層的__SYSCALL_CONCAT，展開__SYSCALL_NARGS_X部分：
__SYSCALL_NARGS(SYS_writev, f->fd, iov, iovcnt) => __SYSCALL_NARGS_X(SYS_writev, f->fd, iov, iovcnt,7,6,5,4,3,2,1,0,) // 展開 __SYSCALL_NARGS=> 3 // 展開 __SYSCALL_NARGS_X// SYS_writev, f->fd, iov, iovcnt 和宏參數 a,b,c,d 對應// 7,6,5,4 和宏參數 e,f,g,h 對應// 3 和宏參數 n 對應// 宏表達式的值爲 n 也就是 3，
回到 __SYSCALL_CONCAT 展開流程，
__SYSCALL_CONCAT(__syscall, __SYSCALL_NARGS(SYS_writev, f->fd, iov, iovcnt)) => __SYSCALL_CONCAT(__syscall, 3) => __SYSCALL_CONCAT_X(__syscall, 3) => __syscall3
再回到__SYSCALL_DISP(__syscall, SYS_writev, f->fd, iov, iovcnt)展開流程，結果應該是：
__SYSCALL_DISP(__syscall, SYS_writev, f->fd, iov, iovcnt) => __syscall3(SYS_writev, f->fd, iov, iovcnt)
系統調用函數__syscall3的實現
這些__syscall[1-7]的系統調用包裝宏定義以下：
#ifndef __scc#define __scc(X) ((long) (X)) // 轉爲long類型typedef long syscall_arg_t;#endif#define __syscall1(n,a) __syscall1(n,__scc(a))#define __syscall2(n,a,b) __syscall2(n,__scc(a),__scc(b))#define __syscall3(n,a,b,c) __syscall3(n,__scc(a),__scc(b),__scc(c)) // <- 看這裏#define __syscall4(n,a,b,c,d) __syscall4(n,__scc(a),__scc(b),__scc(c),__scc(d))#define __syscall5(n,a,b,c,d,e) __syscall5(n,__scc(a),__scc(b),__scc(c),__scc(d),__scc(e))#define __syscall6(n,a,b,c,d,e,f) __syscall6(n,__scc(a),__scc(b),__scc(c),__scc(d),__scc(e),__scc(f))#define __syscall7(n,a,b,c,d,e,f,g) __syscall7(n,__scc(a),__scc(b),__scc(c),__scc(d),__scc(e),__scc(f),__scc(g))
繼續搜索發現有多出匹配，咱們關注arch/arm目錄下的文件，由於ARM Cortext A7是Armv7-A指令集的32位CPU（若是是Armv8-A指令集的64位CPU則對應arch/aarch64下的文件）：
static inline long __syscall3(long n, long a, long b, long c)
{ register long r7 __ASM____R7__ = n; register long r0 __asm__("r0") = a; register long r1 __asm__("r1") = b; register long r2 __asm__("r2") = c;
__asm_syscall(R7_OPERAND, "0"(r0), "r"(r1), "r"(r2));
}
這段代碼中還有三個宏，__ASM____R7__、__asm_syscall和R7_OPERAND：
#ifdef __thumb__#define __ASM____R7__#define __asm_syscall(...) do { \
__asm__ __volatile__ ( "mov %1,r7 ; mov r7,%2 ; svc 0 ; mov r7,%1" \
: "=r"(r0), "=&r"((int){0}) : __VA_ARGS__ : "memory"); \
return r0; \
} while (0)#else // __thumb__#define __ASM____R7__ __asm__("r7")#define __asm_syscall(...) do { \
__asm__ __volatile__ ( "svc 0" \
: "=r"(r0) : __VA_ARGS__ : "memory"); \
return r0; \
} while (0)#endif // __thumb__#ifdef __thumb2__#define R7_OPERAND "rI"(r7)#else#define R7_OPERAND "r"(r7)#endif
它們有兩個實現版，分別對應於編譯器THUMB選項的開啓和關閉。這兩種選項條件下的代碼流程基本一致，如下僅以未開啓THUMB選項爲例進行分析。這兩個宏展開後的__syscall3函數內容爲：
static inline long __syscall3(long n, long a, long b, long c)
{ register long r7 __asm__("r7") = n; // 系統調用號
register long r0 __asm__("r0") = a; // 參數0
register long r1 __asm__("r1") = b; // 參數1
register long r2 __asm__("r2") = c; // 參數2
do { \
__asm__ __volatile__ ( "svc 0" \
: "=r"(r0) : "r"(r7), "0"(r0), "r"(r1), "r"(r2) : "memory"); \
return r0; \
} while (0);
}
這裏最後的一個內嵌彙編比較複雜，它符合以下格式（具體細節能夠查閱gcc內嵌彙編文檔的擴展彙編說明）：
asm asm-qualifiers ( AssemblerTemplate
: OutputOperands
[ : InputOperands
[ : Clobbers ] ])
彙編模板爲："svc 0", 輸出參數部分爲："=r"(r0)，輸出寄存器爲r0 輸入參數部分爲："r"(r7), "0"(r0), "r"(r1), "r"(r2)，輸入寄存器爲r7，r0，r1，r2，("0"的含義是，這個輸入寄存器必須和輸出寄存器第0個位置同樣) Clobber部分爲："memory"
這裏咱們只須要記住：系統調用號存放在r7寄存器，參數存放在r0,r1,r2，返回值最終會存放在r0中；
SVC指令，ARM Cortex A7手冊 的解釋爲：
The SVC instruction causes a Supervisor Call exception. This provides a mechanism for unprivileged software to make a call to the operating system, or other system component that is accessible only at PL1.
翻譯過來就是說
SVC指令會觸發一個「特權調用」異常。這爲非特權軟件調用操做系統或其餘只能在PL1級別訪問的系統組件提供了一種機制。
詳細的指令說明在
到這裏，咱們分析了鴻蒙系統上應用程序如何進入內核態，主要分析的是musl libc的實現。
liteos-a內核的系統調用實現分析
既然SVC可以觸發一個異常，那麼咱們就要看看liteos-a內核是如何處理這個異常的。
ARM Cortex A7中斷向量表
在ARM架構參考手冊中，能夠找到中斷向量表的說明：
能夠看到SVC中斷向量的便宜地址是0x08，咱們能夠在kernel/liteos_a/arch/arm/arm/src/startup目錄的reset_vector_mp.S文件和reset_vector_up.S文件中找到相關彙編代碼：
__exception_handlers:
/*
*Assumption: ROM code has these vectors at the hardware reset address.
*A simple jump removes any address-space dependencies [i.e. safer]
*/
b reset_vector
b _osExceptUndefInstrHdl
b _osExceptSwiHdl
b _osExceptPrefetchAbortHdl
b _osExceptDataAbortHdl
b _osExceptAddrAbortHdl
b OsIrqHandler
b _osExceptFiqHdl
PS: kernel/liteos_a/arch/arm/arm/src/startup目錄有兩個文件reset_vector_mp.S文件和reset_vector_up.S文件分別對應多核和單核編譯選項：
ifeq ($(LOSCFG_KERNEL_SMP), y) LOCAL_SRCS += src/startup/reset_vector_mp.SelseLOCAL_SRCS += src/startup/reset_vector_up.Sendif
SVC中斷處理函數
上面的彙編代碼中能夠看到，_osExceptSwiHdl函數就是SVC異常處理函數，具體實如今kernel/liteos_a/arch/arm/arm/src/los_hw_exc.S文件中：
@ Description: Software interrupt exception handler_osExceptSwiHdl:
SUB SP, SP, #(4 * 16) @ 棧增加
STMIA SP, {R0-R12} @ 保存R0-R12寄存器到棧上
MRS R3, SPSR @ 移動SPSR寄存器的值到R3
MOV R4, LR
AND R1, R3, #CPSR_MASK_MODE @ Interrupted mode
CMP R1, #CPSR_USER_MODE @ User mode
BNE OsKernelSVCHandler @ Branch if not user mode
@ we enter from user mode, we need get the values of USER mode r13(sp) and r14(lr).
@ stmia with ^ will return the user mode registers (provided that r15 is not in the register list).
MOV R0, SP
STMFD SP!, {R3} @ Save the CPSR
ADD R3, SP, #(4 * 17) @ Offset to pc/cpsr storage
STMFD R3!, {R4} @ Save the CPSR and r15(pc)
STMFD R3, {R13, R14}^ @ Save user mode r13(sp) and r14(lr)
SUB SP, SP, #4
PUSH_FPU_REGS R1
MOV FP, #0 @ Init frame pointer
CPSIE I @ Interrupt Enable
BLX OsArmA32SyscallHandle
CPSID I @ Interrupt Disable
POP_FPU_REGS R1
ADD SP, SP,#4
LDMFD SP!, {R3} @ Fetch the return SPSR
MSR SPSR_cxsf, R3 @ Set the return mode SPSR
@ we are leaving to user mode, we need to restore the values of USER mode r13(sp) and r14(lr).
@ ldmia with ^ will return the user mode registers (provided that r15 is not in the register list)
LDMFD SP!, {R0-R12}
LDMFD SP, {R13, R14}^ @ Restore user mode R13/R14
ADD SP, SP, #(2 * 4)
LDMFD SP!, {PC}^ @ Return to user
這段代碼的註釋較爲清楚，能夠看到，內核模式會繼續調用OsKernelSVCHandler，用戶模式會繼續調用OsArmA32SyscallHandle函數；
OsArmA32SyscallHandle函數
咱們這裏分析的流程是從用戶模式進入的，因此調用的是OsArmA32SyscallHandle，它的實現位於kernel/liteos_a/syscall/los_syscall.c文件：
/* The SYSCALL ID is in R7 on entry. Parameters follow in R0..R6 */LITE_OS_SEC_TEXT UINT32 *OsArmA32SyscallHandle(UINT32 *regs)
{
UINT32 ret;
UINT8 nArgs;
UINTPTR handle;
UINT32 cmd = regs[REG_R7];
if (cmd >= SYS_CALL_NUM) {
PRINT_ERR("Syscall ID: error %d !!!\n", cmd);
return regs;
}
if (cmd == __NR_sigreturn) {
OsRestorSignalContext(regs);
return regs;
}
handle = g_syscallHandle[cmd]; // 獲得實際系統調用處理函數
nArgs = g_syscallNArgs[cmd / NARG_PER_BYTE]; /* 4bit per nargs */
nArgs = (cmd & 1) ? (nArgs >> NARG_BITS) : (nArgs & NARG_MASK);
if ((handle == 0) || (nArgs > ARG_NUM_7)) {
PRINT_ERR("Unsupport syscall ID: %d nArgs: %d\n", cmd, nArgs);
regs[REG_R0] = -ENOSYS;
return regs;
}
switch (nArgs) { // 如下各個case是實際函數調用
case ARG_NUM_0:
case ARG_NUM_1:
ret = (*(SyscallFun1)handle)(regs[REG_R0]);
break;
case ARG_NUM_2:
case ARG_NUM_3:
ret = (*(SyscallFun3)handle)(regs[REG_R0], regs[REG_R1], regs[REG_R2]);
break;
case ARG_NUM_4:
case ARG_NUM_5:
ret = (*(SyscallFun5)handle)(regs[REG_R0], regs[REG_R1], regs[REG_R2], regs[REG_R3],
regs[REG_R4]);
break;
default:
ret = (*(SyscallFun7)handle)(regs[REG_R0], regs[REG_R1], regs[REG_R2], regs[REG_R3],
regs[REG_R4], regs[REG_R5], regs[REG_R6]);
}
regs[REG_R0] = ret; // 返回值填入R0
OsSaveSignalContext(regs);
/* Return the last value of curent_regs. This supports context switches on return from the exception.
* That capability is only used with theSYS_context_switch system call.
*/
return regs;
}
這個函數中用到了個全局數組g_syscallHandle和g_syscallNArgs，它們的定義以及初始化函數也在同一個文件中：
static UINTPTR g_syscallHandle[SYS_CALL_NUM] = {0};static UINT8 g_syscallNArgs[(SYS_CALL_NUM + 1) / NARG_PER_BYTE] = {0};void SyscallHandleInit(void)
{#define SYSCALL_HAND_DEF(id, fun, rType, nArg) \
if ((id) < SYS_CALL_NUM) { \
g_syscallHandle[(id)] = (UINTPTR)(fun); \
g_syscallNArgs[(id) / NARG_PER_BYTE] |= \
((id) & 1) ? (nArg) << NARG_BITS : (nArg); \
}
#include "syscall_lookup.h"#undef SYSCALL_HAND_DEF}
其中SYSCALL_HAND_DEF宏的對齊格式我作了一點調整。
從g_syscallNArgs成員賦值以及定義的地方，能看出它的每一個UINT8成員被用來存放兩個系統調用的參數個數，從而實現更少的內存佔用；
syscall_lookup.h文件和los_syscall.c位於同一目錄，它記錄了系統調用函數對照表，咱們僅節取一部分：
SYSCALL_HAND_DEF(__NR_read, SysRead, ssize_t, ARG_NUM_3) SYSCALL_HAND_DEF(__NR_write, SysWrite, ssize_t, ARG_NUM_3) // <-- 咱們要跟蹤的 write 在這裏SYSCALL_HAND_DEF(__NR_open, SysOpen, int, ARG_NUM_7) SYSCALL_HAND_DEF(__NR_close, SysClose, int, ARG_NUM_1) SYSCALL_HAND_DEF(__NR_creat, SysCreat, int, ARG_NUM_2) SYSCALL_HAND_DEF(__NR_unlink, SysUnlink, int, ARG_NUM_1)#ifdef LOSCFG_KERNEL_DYNLOADSYSCALL_HAND_DEF(__NR_execve, SysExecve, int, ARG_NUM_3)#endif
看到這裏，write系統調用的內核函數終於找到了——SysWrite。
到此，咱們已經知道了liteos-a的系統調用機制是如何實現的。
liteos-a內核SysWrite的實現
SysWrite函數的實現位於kernel/liteos_a/syscall/fs_syscall.c文件：
ssize_t SysWrite(int fd, const void *buf, size_t nbytes)
{
int ret;
if (nbytes == 0) {
return 0;
}
if (!LOS_IsUserAddressRange((vaddr_t)(UINTPTR)buf, nbytes)) {
return -EFAULT;
}
/* Process fd convert to system global fd */
fd = GetAssociatedSystemFd(fd);
ret = write(fd, buf, nbytes); // <-- ？？似曾相識？？
if (ret < 0) {
return -get_errno();
}
return ret;
}
它又調用了write？可是這一次是內核空間的write，再也不是 musl libc，通過一番搜索，咱們能夠找到另外一個文件third_party/NuttX/fs/vfs/fs_write.c中的write：
ssize_t write(int fd, FAR const void *buf, size_t nbytes) {#if CONFIG_NFILE_DESCRIPTORS > 0
FAR struct file *filep;
if ((unsigned int)fd >= CONFIG_NFILE_DESCRIPTORS)#endif
{ /* Write to a socket descriptor is equivalent to send with flags == 0 */#if defined(LOSCFG_NET_LWIP_SACK)
FAR const void *bufbak = buf;
ssize_t ret;
if (LOS_IsUserAddress((VADDR_T)(uintptr_t)buf)) {
if (buf != NULL && nbytes > 0) {
buf = malloc(nbytes);
if (buf == NULL) { /* 省略 錯誤處理 代碼 */ }
if (LOS_ArchCopyFromUser((void*)buf, bufbak, nbytes) != 0) {/* 省略 */}
}
}
ret = send(fd, buf, nbytes, 0); // 這個分支是處理socket fd的
if (buf != bufbak) {
free((void*)buf);
}
return ret;#else
set_errno(EBADF);
return VFS_ERROR;#endif
}#if CONFIG_NFILE_DESCRIPTORS > 0
/* The descriptor is in the right range to be a file descriptor... write
* to the file.
*/
if (fd <= STDERR_FILENO && fd >= STDIN_FILENO) { /* fd : [0,2] */
fd = ConsoleUpdateFd();
if (fd < 0) {
set_errno(EBADF);
return VFS_ERROR;
}
}
int ret = fs_getfilep(fd, &filep);
if (ret < 0) {
/* The errno value has already been set */
return VFS_ERROR;
}
if (filep->f_oflags & O_DIRECTORY) {
set_errno(EBADF);
return VFS_ERROR;
}
if (filep->f_oflags & O_APPEND) {
if (file_seek64(filep, 0, SEEK_END) == -1) {
return VFS_ERROR;
}
}
/* Perform the write operation using the file descriptor as an index */
return file_write(filep, buf, nbytes);#endif}
找到這段代碼，咱們知道了：
liteos-a的vfs是在NuttX基礎上實現的，NuttX是一個開源RTOS項目；
liteos-a的TCP/IP協議棧是基於lwip的，lwip也是一個開源項目；
這段代碼中的write分爲兩個分支，socket fd調用lwip的send，另外一個分支調用file_write；
至於，file_write如何調用到存儲設備驅動程序，則是更底層的實現了，本文不在繼續分析。
補充說明
本文內容均是基於鴻蒙系統開源項目OpenHarmony源碼靜態分析所整理，沒有進行實際的運行環境調試，實際執行過程可能有所差別，但願發現錯誤的讀者及時指正。文中全部路徑均爲整個openharmony源碼樹上的相對路徑（而非liteos源碼相對路徑）。
參考連接
ARM Architecture Reference Manual ® ARMv7-A and ARMv7-R edition： https://developer.arm.com/doc...
gcc內嵌彙編文檔的擴展彙編說明：https://gcc.gnu.org/onlinedoc...
鴻蒙官方文檔「內核子系統」：https://gitee.com/openharmony/docs/blob/master/readme/%E5%86%85%E6%A0%B8%E5%AD%90%E7%B3%BB%E7%BB%9FREADME.md
鴻蒙官方文檔「 OpenHarmony輕內核」：https://gitee.com/openharmony/docs/blob/master/kernel/Readme-CN.md
NuttX：https://nuttx.apache.org/
Lwip：https://savannah.nongnu.org/p...
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