xenomai内核解析--双核系统调用(二)--应用如何区分xenomai/linux系统调用或服务

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1. 引出问题

上一篇文章xenomai内核解析--双核系统调用(一)以X86处理器为例，分析了xenomai内核调用的流程，读了以后可能会觉得缺了点什么，你可能会有以下疑问：

1. 系统中的两个内核都是POSIX接口实现系统调用，那么我写一个POSIX接口的应用程序，怎样知道它调用的内核，或者说怎样成为运行在cobalt内核的RT应用，而不是普通linux应用？
2. 对于同一个POSIX接口，可能我的程序中，既需要xenomai内核提供服务(xenomai 系统调用)，又需要调用linux内核提供服务（linux内核系统调用），或者说既有libcobalt，又有glibc库，他们是如何实现或区分的？

2. 编译链接

对于问题1，答案是：由编译的链接过程决定，链接的库不同当然执行的也就不同，如果普通的编译，则该应用编译后是一个普通linux运用。如果要编译为xenomai应用，则需要链接到xenomai库，但链接时是通过符号表(symbol)来链接的，当然也就要从代码符号（symbol）入手，我们会有疑惑xenomai是如何狸猫换太子的？首先来看一个常用的编译xenomai 应用的makefile：

XENO_CONFIG := /usr/xenomai/bin/xeno-config

PROJPATH = .

CFLAGS := $(shell $(XENO_CONFIG)   --posix --alchemy --cflags)
LDFLAGS := $(shell $(XENO_CONFIG)  --posix --alchemy --ldflags)
INCFLAGS= -I$(PROJPATH)/include/


EXECUTABLE := rt-app

src = $(wildcard ./*.c)
obj = $(patsubst %.c, %.o, $(src))

all: $(EXECUTABLE)

$(EXECUTABLE): $(obj)
        $(CC) -g -o $@ $^  $(INCFLAGS) $(CFLAGS) $(LDFLAGS)

%.o:%.c
        $(CC) -g -o $@ -c $<  $(INCFLAGS) $(CFLAGS) $(LDFLAGS)

.PHONY: clean
clean:
        rm -f $(EXECUTABLE) $(obj)

其中最重要的就是编译时需要xeno-config来生成gcc参数。xeno-config在我们编译安装xenomai库后，默认放在/usr/bin/xeno-config。

$ /usr/bin/xeno-config --help
xeno-config --verbose
        --core=cobalt
        --version="3.1"
        --cc="gcc"
        --ccld="/usr/bin/wrap-link.sh gcc"
        --arch="x86"
        --prefix="/usr"
        --library-dir="/usr/lib"
Usage xeno-config OPTIONS
Options :
        --help
        --v,--verbose
        --version
        --cc
        --ccld
        --arch
        --prefix
        --[skin=]posix|vxworks|psos|alchemy|rtdm|smokey|cobalt
        --auto-init|auto-init-solib|no-auto-init
        --mode-check|no-mode-check
        --cflags
        --ldflags
        --lib*-dir|libdir|user-libdir
        --core
        --info
        --compat

例如编译一个POSIX接口的实时应用,参数--cflags表示编译，指定接口(skin)--posix,就能得到编译该程序的gcc参数了，看着没什么特别的：

$ /usr/bin/xeno-config --posix --cflags
-I/usr/include/xenomai/cobalt -I/usr/include/xenomai -D_GNU_SOURCE -D_REENTRANT -fasynchronous-unwind-tables -D__COBALT__ -D__COBALT_WRAP__

再看链接，--ldflags表示链接,如下得到链接参数：

$ /usr/bin/xeno-config --ldflags --posix
-Wl,--no-as-needed -Wl,@/usr/lib/cobalt.wrappers -Wl,@/usr/lib/modechk.wrappers  /usr/lib/xenomai/bootstrap.o -Wl,--wrap=main -Wl,--dynamic-list=/usr/lib/dynlist.ld -L/usr/lib -lcobalt -lmodechk -lpthread -lrt

这一看就多出不少东西，重点就在这cobalt.wrappers、modechk.wrappers,两个文件的内容如下：

...
--wrap open
--wrap open64
--wrap socket
--wrap close
--wrap ioctl
--wrap read
....
--wrap recv
--wrap send
--wrap getsockopt
--wrap setsockop
...

里面是一些posix系统调用，前面的--wrap是什么作用？这是执行链接过程的程序ld的一个参数，通过man ld可以找到该参数的说明：

--wrap symbol
           Use a wrapper function for symbol.  Any undefined reference to symbol will be resolved to "__wrap_symbol".  Any undefined reference to "__real_symbol" will be resolved to symbol.

           This can be used to provide a wrapper for a system function.  The wrapper function should be called "__wrap_symbol".  If it wishes to call the system function, it should call "__real_symbol".

           Here is a trivial example:

                   void *
                   __wrap_malloc (size_t c)
                   {
                     printf ("malloc called with %zu\n", c);
                     return __real_malloc (c);
                   }

           If you link other code with this file using --wrap malloc, then all calls to "malloc" will call the function "__wrap_malloc" instead.  The call to "__real_malloc" in "__wrap_malloc" will call the real "malloc"
           function.

           You may wish to provide a "__real_malloc" function as well, so that links without the --wrap option will succeed.  If you do this, you should not put the definition of "__real_malloc" in the same file as
           "__wrap_malloc"; if you do, the assembler may resolve the call before the linker has a chance to wrap it to "malloc".

简单来说就是：任何 对symbol未定义 的 引用 (undefined reference) 将 解析为 __wrap_symbol. 任何 对__real_symbol未定义 的 引用 将 解析为 symbol。意思就是我们代码里使用到且是参数--wrap指定的符号symbol(即文件里的内容)，链接的时候就认为它是__wrap_symbol,同时编译参数还指定了头文件目录，这样代码中头文件stdio.h编译时使用的是libcobalt中的stdio.h，stdio.h中声明了__wrap_symbol,比如我们代码用到了open()在链接的时候是与库中的__wrap_open()链接的,__wrap_open就是在xenomai 实时库libcobalt中实现，我们还有另一个问题，既然链接到了libcobalt，但我们是要Linux来服务，又是怎么让Linux来提供服务的呢？看libcobalt具体实现可以知道答案。

对于xeno-config的其他更多参数可通过xenomai Manual Page了解。

这样就将POSIX接口源码编译成一个xenomai可执行程序了。

3. libcobalt中的实现

下面来看问题2，既然我们已将一个接口链接到实时内核库libcobalt，当然由实时内核库libcobalt来区分该发起linux内核调用还是xenomai内核系统。与上一篇文章一样，以一个POSIX接口pthread_cretate()来解析libcobalt中的实现。

xenomai线程的创建流程比较复杂，需要先让linux创建普通线程，然后再由xenomai创建该线程的shadow 线程，即xenomai调度的实时线程，很符合我们上面的提出的问题2。 说到这先简答介绍一下xenomai实时线程的创建，详细的创建流程后面会写专门写一篇文章解析，敬请期待。

pthread_cretate()不是一个系统调用，由NPTL（Native POSIX Threads Library）实现（NPTL是Linux 线程实现的现代版，由UlrichDrepper 和Ingo Molnar 开发，以取代LinuxThreads），NPTL负责一个用户线程的用户空间栈创建、内存分配、初始化等工作，与linux内核配合完成线程的创建。每一线程映射一个单独的内核调度实体（KSE，Kernel Scheduling Entity）。内核分别对每个线程做调度处理。线程同步操作通过内核系统调用实现。

xenomai coblat作为实时任务的调度器，每个实时线程需要对应到 coblat调度实体，如果要创建实时线程就需要像linux那样NPTL与linux 内核深度结合，那么coblat与libcoblat实现将会变得很复杂。在这里，xenomai使用了一种方式，由NPTL方式去完成实时线程实体的创建（linux部分），在普通线程的基础上附加一些属性，对应到xenomai cobalt内核实体时能被实时内核cobalt调度。

所以libcoblat库中的实时线程创建函数pthread_cretate最后还是需要使用 glibc的pthread_cretate函数，xenomai只是去扩展glibc pthread_cretate创建的线程，使这个线程可以在实时内核cobalt调度。

pthread_cretate()在libcobalt中pthread.h文件中定义如下：

COBALT_DECL(int, pthread_create(pthread_t *ptid_r,
                const pthread_attr_t *attr,
                void *(*start) (void *),
                void *arg));

COBALT_DECL宏在wrappers.h中如下,展开上面宏，会为pthread_create()生成三个类型函数：

#define __WRAP(call)        __wrap_ ## call
#define __STD(call)        __real_ ## call
#define __COBALT(call)        __cobalt_ ## call
#define __RT(call)        __COBALT(call)
#define COBALT_DECL(T, P)    \
    __typeof__(T) __RT(P);    \
    __typeof__(T) __STD(P); \
    __typeof__(T) __WRAP(P)

int __cobalt_pthread_create(pthread_t *ptid_r,
                const pthread_attr_t *attr,
                void *(*start) (void *),
                void *arg);
int __wrap_pthread_create(pthread_t *ptid_r,
                const pthread_attr_t *attr,
                void *(*start) (void *),
                void *arg);
int __real_pthread_create(pthread_t *ptid_r,
                const pthread_attr_t *attr,
                void *(*start) (void *),
                void *arg);

声明pthread_create()函数的这三个宏意思为:

• __RT(P):__cobalt_pthread_create 明确表示Cobalt实现的POSIX函数
• __COBALT(P)：与__RT()等效。
• __STD(P):__real_pthread_create表示这是原始的POSIX函数（Linux glibc实现)，cobalt库内部通过它来表示调用原始的POSIX函数(glibc NPTL).

• __WRAP(P)：__wrap_pthread_create是__cobalt_pthread_create 的弱别名，如果编译器编译时知道有该函数其它的实现，该函数就会被覆盖。

  主要关注前面两个，对于最后一个宏，如果外部库想覆盖已有的函数，应提供其自己的__wrap_pthread_create()实现，来覆盖Cobalt实现的pthread_create()版本。 原始的Cobalt实现仍可以引用为__COBALT(pthread_create)。由宏COBALT_IMPL来定义：

  #define COBALT_IMPL(T, I, A)                                \
  __typeof__(T) __wrap_ ## I A __attribute__((alias("__cobalt_" __stringify(I)), weak));    \
  __typeof__(T) __cobalt_ ## I A
  

最后cobalt库函数pthread_create实现主体为（xenomai3.x.x\lib\cobalt\thread.c）：

COBALT_IMPL(int, pthread_create, (pthread_t *ptid_r,
                  const pthread_attr_t *attr,
                  void *(*start) (void *), void *arg))
{
    pthread_attr_ex_t attr_ex;
    ......
    return pthread_create_ex(ptid_r, &attr_ex, start, arg);
}

COBALT_IMPL定义了__cobalt_pthread_create函数及该函数的一个弱别名__wrap_pthread_create,调用这两个函数执行的是同一个函数体。

对于 NPTL函数pthread_create,在Cobalt库里使用__STD()修饰，展开后即__real_pthread_create()，其实只是NPTL pthread_create()的封装，__real_pthread_create()会直接调用 NPTL pthread_create,在lib\cobalt\wrappers.c实现如下：

/* pthread */
__weak
int __real_pthread_create(pthread_t *ptid_r,
              const pthread_attr_t * attr,
              void *(*start) (void *), void *arg)
{
    return pthread_create(ptid_r, attr, start, arg);
}

它调用的就是glibc中的pthread_create函数.同样我们接着__cobalt_pthread_create()看哪里调用的.

int pthread_create_ex(pthread_t *ptid_r,
              const pthread_attr_ex_t *attr_ex,
              void *(*start) (void *), void *arg)
{
    ......
    __STD(sem_init(&iargs.sync, 0, 0));

    ret = __STD(pthread_create(&lptid, &attr, cobalt_thread_trampoline, &iargs));/*__STD 调用标准库的函数*/
    if (ret) {
        __STD(sem_destroy(&iargs.sync));
        return ret;
    }

    __STD(clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &timeout));
    .....
}

下面再看另一个例子，实时任务在代码中使用了linux的网络套接字（xenomai任务也是一个linux任务，也可以使用linux来提供服务，只不过会影响实时性），有以下代码，：

....
    int sockfd,ret;                                            
    struct sockaddr_in addr;                           
    sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);            
.....
    bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr,sizeof(struct sockaddr_in));        
....

该代码编译时链接到了libcobalt，socket()函数即libcobalt中的__cobalt_socket()，其定义在xenomai-3.x.x\lib\cobalt\rtdm.c,如下：

COBALT_IMPL(int, socket, (int protocol_family, int socket_type, int protocol))
{
    int s;
    s = XENOMAI_SYSCALL3(sc_cobalt_socket, protocol_family,
                 socket_type, protocol);
    if (s < 0) {
        s = __STD(socket(protocol_family, socket_type, protocol));
    }
    return s;
}

可以看到，libcobalt中的函数会先尝试调用实时内核cobalt的系统调用， 当cobalt系统调用不成功的时候才继续尝试通过__STD()宏来调用linux系统调用（cobalt内核根据socket协议类型参数PF_INET,SOCK_STREAM判断），这样就有效的分清了是linux系统调用还是xenomai系统调用，这也是所有libcobalt实现的posix都链接到libobalt库的原因。

一般情况下，可以直接在代码中使用__STD()宏指明我们调用的linux内核的服务,修改如下：

....
    int sockfd,ret;                                            
    struct sockaddr_in addr;                           
    sockfd = __STD(socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0));            
.....
     __STD(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr,sizeof(struct sockaddr_in)));
....

现在一切都明了了，一个函数编译时通过参数链接到xenomai库后，通过__STD()宏来表示使用linux接口。

4. 总结

• 在实时程序或实时库libcobalt中，通过__STD()宏，或添加前缀__real__来表示使用linux接口;可以使用xenomai内定义宏区分__XENO__来兼容Linux和xenomai平台。

  /* Open a plain Linux UDP socket. */
  #ifndef __XENO__
       fd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
  #else /* __XENO__ */
       fd = __real_socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
  #endif /* __XENO__ */
  

• 对于一个未指明的接口，libcobalt会先尝试发起xenomai系统调用，不成功会接着尝试linux内核系统调用。
• 如果我们向libcobalt库中新添加一个libcobalt库中没有的自定义POSIX函数/系统调用时，一定要在内部先尝试发起xenomai系统调用，不成功时接着尝试linux内核系统调用，此外还必须将该接口添加到文件xenomai\lib\cobalt\cobalt.wrappers中，这样才能正确链接，否则编译后的应用还是原来的。