开源鸿蒙内核源码分析系列 | 进程管理 | 家家有本难念的经(转载)
原文来自鸿蒙研究站:http://weharmonyos.com/blog/05.html
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三个进程
鸿蒙有三个特殊的进程,创建顺序如下:
- 2号进程,KProcess,为内核态根进程。启动过程中创建。
- 0号进程,KIdle为内核态第二个进程,它是通过KProcess fork 而来的。这有点难理解。
- 1号进程,init,为用户态根进程。由任务SystemInit创建。
发现没有在图中看不到0号进程,在看完本篇之后请想想为什么?
家族式管理
进程(process)是家族式管理,总体分为两大家族,用户态家族和内核态家族。
用户态的进程是平民阶层,屌丝矮矬穷,干着各行各业的活,权利有限,人数众多,活动范围有限(用户空间)。有关单位肯定不能随便进出。这个阶层有个共同的老祖宗g_userInitProcess (1号进程)。
g_userInitProcess = 1; /* 1: The root process ID of the user-mode process is fixed at 1 *///用户态的根进程
//获取用户态进程的根进程,所有用户进程都是g_processCBArray[g_userInitProcess] fork来的
LITE_OS_SEC_TEXT UINT32 OsGetUserInitProcessID(VOID)
{
return g_userInitProcess;
}
内核态的进程是贵族阶层,管理平民阶层的,维持平民生活秩序的,拥有超级权限,能访问整个空间和所有资源,人数不多。这个阶层老祖宗是 g_kernelInitProcess(2号进程)。
g_kernelInitProcess = 2; /* 2: The root process ID of the kernel-mode process is fixed at 2 *///内核态的根进程
//获取内核态进程的根进程,所有内核进程都是g_processCBArray[g_kernelInitProcess] fork来的,包括g_processCBArray[g_kernelIdleProcess]进程
LITE_OS_SEC_TEXT UINT32 OsGetKernelInitProcessID(VOID)
{
return g_kernelInitProcess;
}
两位老祖宗都不是通过fork来的,而是内核强制规定进程ID号,强制写死基因创建的。
这两个阶层可以相互流动吗,有没有可能通过高考改变命运?答案是: 绝对冇可能!!! 龙生龙,凤生凤,老鼠生儿会打洞。从老祖宗创建的那一刻起就被刻在基因里了,抹不掉了。因为后续所有的进程都是由这两位老同志克隆(clone)来的,没得商量的继承这份基因。LosProcessCB有专门的标签来processMode区分这两个阶层。整个开源鸿蒙内核源码并没有提供改变命运机会的set函数。
#define OS_KERNEL_MODE 0x0U //内核态
#define OS_USER_MODE 0x1U //用户态
STATIC INLINE BOOL OsProcessIsUserMode(const LosProcessCB *processCB)//用户模式进程
{
return (processCB->processMode == OS_USER_MODE);
}
typedef struct ProcessCB {
// ...
UINT16 processMode; /**< Kernel Mode:0; User Mode:1; */ //0位内核态,1为用户态进程
} LosProcessCB;
2号进程 KProcess
2号进程为内核态的老祖宗,是内核创建的首个进程,源码过程如下,省略了不相干的代码。
bl main @带LR的子程序跳转, LR = pc - 4 ,执行C层main函数
/******************************************************************************
内核入口函数,由汇编调用,见于reset_vector_up.S 和 reset_vector_mp.S
up指单核CPU, mp指多核CPU bl main
******************************************************************************/
LITE_OS_SEC_TEXT_INIT INT32 main(VOID)//由主CPU执行,默认0号CPU 为主CPU
{
// ... 省略
uwRet = OsMain();// 内核各模块初始化
}
LITE_OS_SEC_TEXT_INIT INT32 OsMain(VOID)
{
// ...
ret = OsKernelInitProcess();// 创建内核态根进程
// ...
ret = OsSystemInit(); //中间创建了用户态根进程
}
//初始化 2号进程,即内核态进程的老祖宗
LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 OsKernelInitProcess(VOID)
{
LosProcessCB *processCB = NULL;
UINT32 ret;
ret = OsProcessInit();// 初始化进程模块全部变量,创建各循环双向链表
if (ret != LOS_OK) {
return ret;
}
processCB = OS_PCB_FROM_PID(g_kernelInitProcess);// 以PID方式得到一个进程
ret = OsProcessCreateInit(processCB, OS_KERNEL_MODE, "KProcess", 0);// 初始化进程,最高优先级0,开源鸿蒙进程一共有32个优先级(0-31) 其中0-9级为内核进程,用户进程可配置的优先级有22个(10-31)
if (ret != LOS_OK) {
return ret;
}
processCB->processStatus &= ~OS_PROCESS_STATUS_INIT;// 进程初始化位 置1
g_processGroup = processCB->group;//全局进程组指向了KProcess所在的进程组
LOS_ListInit(&g_processGroup->groupList);// 进程组链表初始化
OsCurrProcessSet(processCB);// 设置为当前进程
return OsCreateIdleProcess();// 创建一个空闲状态的进程
}
解读:
- main函数在系列篇中会单独讲,请留意自行翻看,它是在开机之初在SVC模式下创建的。
- 内核态老祖宗的名字叫 KProcess,优先级为最高 0 级,KProcess进程是长期活跃的,很多重要的任务都会跑在其之下。例如:
- Swt_Task
- oom_task
- system_wq
- tcpip_thread
- SendToSer
- SendToTelnet
- eth_irq_task
- TouchEventHandler
- USB_GIANT_Task 此处不细讲这些任务,在其他篇幅有介绍,但光看名字也能猜个八九,请自行翻看。
- 紧接着KProcess 以CLONE_FILES的方式 fork了一个 名为KIdle的子进程(0号进程)。
- 内核态的所有进程都来自2号进程这位老同志,子子孙孙,代代相传,形成一颗家族树,和人类的传承所不同的是,它们往往是白发人送黑发人,子孙进程往往都是短命鬼,老祖宗最能活,子孙都死绝了它还在,有些收尸的工作要交给它干。
0 号进程 KIdle
0号进程是内核创建的第二个进程,在OsKernelInitProcess的末尾将KProcess设为当前进程后,紧接着就fork了0号进程。为什么一定要先设置当前进程,因为fork需要一个父进程,而此时系统处于启动阶段,并没有当前进程。是的,您没有看错。进程是操作系统为方便管理资源而衍生出来的概念,系统并不是非要进程,任务才能运行的。开机阶段就是啥都没有,默认跑在svc模式下,默认起始地址reset_vector都是由硬件上电后规定的。进程,线程都是跑起来后慢慢赋予的意义。OsCurrProcessSet是从软件层面赋予了此为当前进程的这个概念。KProcess是内核设置的第一个当前进程。有了它,就可以fork, fork, fork !
//创建一个名叫"KIdle"的0号进程,给CPU空闲的时候使用
STATIC UINT32 OsCreateIdleProcess(VOID)
{
UINT32 ret;
CHAR *idleName = "Idle";
LosProcessCB *idleProcess = NULL;
Percpu *perCpu = OsPercpuGet();
UINT32 *idleTaskID = &perCpu->idleTaskID;//得到CPU的idle task
ret = OsCreateResourceFreeTask();// 创建一个资源回收任务,优先级为5 用于回收进程退出时的各种资源
if (ret != LOS_OK) {
return ret;
}
//创建一个名叫"KIdle"的进程,并创建一个idle task,CPU空闲的时候就待在 idle task中等待被唤醒
ret = LOS_Fork(CLONE_FILES, "KIdle", (TSK_ENTRY_FUNC)OsIdleTask, LOSCFG_BASE_CORE_TSK_IDLE_STACK_SIZE);
if (ret < 0) {//内核进程的fork并不会一次调用,返回两次,此子进程执行的开始位置是参数OsIdleTask
return LOS_NOK;
}
g_kernelIdleProcess = (UINT32)ret;//返回 0号进程
idleProcess = OS_PCB_FROM_PID(g_kernelIdleProcess);//通过ID拿到进程实体
*idleTaskID = idleProcess->threadGroupID;//绑定CPU的IdleTask,或者说改变CPU现有的idle任务
OS_TCB_FROM_TID(*idleTaskID)->taskStatus |= OS_TASK_FLAG_SYSTEM_TASK;//设定Idle task 为一个系统任务
#if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES)
OS_TCB_FROM_TID(*idleTaskID)->cpuAffiMask = CPUID_TO_AFFI_MASK(ArchCurrCpuid());//多核CPU的任务指定,防止乱串了,注意多核才会有并行处理
#endif
(VOID)memset_s(OS_TCB_FROM_TID(*idleTaskID)->taskName, OS_TCB_NAME_LEN, 0, OS_TCB_NAME_LEN);//task 名字先清0
(VOID)memcpy_s(OS_TCB_FROM_TID(*idleTaskID)->taskName, OS_TCB_NAME_LEN, idleName, strlen(idleName));//task 名字叫 idle
return LOS_OK;
}
解读:
看过fork篇的可能发现了一个参数, KIdle被创建的方式和通过系统调用创建的方式不一样,一个用的是CLONE_FILES,一个是 CLONE_SIGHAND 具体的创建方式如下:
#define CLONE_VM 0x00000100 //子进程与父进程运行于相同的内存空间
#define CLONE_FS 0x00000200 //子进程与父进程共享相同的文件系统,包括root、当前目录、umask
#define CLONE_FILES 0x00000400 //子进程与父进程共享相同的文件描述符(file descriptor)表
#define CLONE_SIGHAND 0x00000800 //子进程与父进程共享相同的信号处理(signal handler)表
#define CLONE_PTRACE 0x00002000 //若父进程被trace,子进程也被trace
#define CLONE_VFORK 0x00004000 //父进程被挂起,直至子进程释放虚拟内存资源
#define CLONE_PARENT 0x00008000 //创建的子进程的父进程是调用者的父进程,新进程与创建它的进程成了“兄弟”而不是“父子”
#define CLONE_THREAD 0x00010000 //Linux 2.4中增加以支持POSIX线程标准,子进程与父进程共享相同的线程群
KIdle创建了一个名为Idle的任务,任务的入口函数为OsIdleTask,这是个空闲任务,啥也不干的。专门用来给cpu休息的,cpu空闲时就待在这个任务里等活干。
LITE_OS_SEC_TEXT WEAK VOID OsIdleTask(VOID)
{
while (1) {//只有一个死循环
#ifdef LOSCFG_KERNEL_TICKLESS //低功耗模式开关, idle task 中关闭tick
if (OsTickIrqFlagGet()) {
OsTickIrqFlagSet(0);
OsTicklessStart();
}
#endif
Wfi();//WFI指令:arm core 立即进入low-power standby state,进入休眠模式,等待中断。
}
}
fork 内核态进程和fork用户态进程有个地方会不一样,就是SP寄存器的值。fork用户态的进程一次调用两次返回(父子进程各一次),返回的位置一样(是因为拷贝了父进程陷入内核时的上下文)。所以可以通过返回值来判断是父还是子返回。这个在fork篇中有详细的描述。请自行翻看。 但fork内核态进程虽也有两次返回,但是返回的位置却不一样,子进程的返回位置是由内核指定的,例如:Idle任务的入口函数为OsIdleTask。详见代码:
//任务初始化时拷贝任务信息
STATIC VOID OsInitCopyTaskParam(LosProcessCB *childProcessCB, const CHAR *name, UINTPTR entry, UINT32 size,
TSK_INIT_PARAM_S *childPara)
{
LosTaskCB *mainThread = NULL;
UINT32 intSave;
SCHEDULER_LOCK(intSave);
mainThread = OsCurrTaskGet();//获取当前task,注意变量名从这里也可以看出 thread 和 task 是一个概念,只是内核常说task,上层应用说thread ,概念的映射。
if (OsProcessIsUserMode(childProcessCB)) {//用户态进程
childPara->pfnTaskEntry = mainThread->taskEntry;//拷贝当前任务入口地址
childPara->uwStackSize = mainThread->stackSize; //栈空间大小
childPara->userParam.userArea = mainThread->userArea; //用户态栈区栈顶位置
childPara->userParam.userMapBase = mainThread->userMapBase; //用户态栈底
childPara->userParam.userMapSize = mainThread->userMapSize; //用户态栈大小
} else {//注意内核态进程创建任务的入口由外界指定,例如 OsCreateIdleProcess 指定了OsIdleTask
childPara->pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)entry;//参数(sp)为内核态入口地址
childPara->uwStackSize = size;//参数(size)为内核态栈大小
}
childPara->pcName = (CHAR *)name; //拷贝进程名字
childPara->policy = mainThread->policy; //拷贝调度模式
childPara->usTaskPrio = mainThread->priority; //拷贝优先级
childPara->processID = childProcessCB->processID; //拷贝进程ID
if (mainThread->taskStatus & OS_TASK_FLAG_PTHREAD_JOIN) {
childPara->uwResved = OS_TASK_FLAG_PTHREAD_JOIN;
} else if (mainThread->taskStatus & OS_TASK_FLAG_DETACHED) {
childPara->uwResved = OS_TASK_FLAG_DETACHED;
}
SCHEDULER_UNLOCK(intSave);
}
结论是创建0号进程中的OsCreateIdleProcess调用LOS_Fork后只会有一次返回。而且返回值为0,因为 g_freeProcess中0号进程还没有被分配。详见代码,注意看最后的注释:
//进程模块初始化,被编译放在代码段 .init 中
LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 OsProcessInit(VOID)
{
UINT32 index;
UINT32 size;
g_processMaxNum = LOSCFG_BASE_CORE_PROCESS_LIMIT;//默认支持64个进程
size = g_processMaxNum * sizeof(LosProcessCB);//算出总大小
g_processCBArray = (LosProcessCB *)LOS_MemAlloc(m_aucSysMem1, size);// 进程池,占用内核堆,内存池分配
if (g_processCBArray == NULL) {
return LOS_NOK;
}
(VOID)memset_s(g_processCBArray, size, 0, size);//安全方式重置清0
LOS_ListInit(&g_freeProcess);//进程空闲链表初始化,创建一个进程时从g_freeProcess中申请一个进程描述符使用
LOS_ListInit(&g_processRecyleList);//进程回收链表初始化,回收完成后进入g_freeProcess等待再次被申请使用
for (index = 0; index < g_processMaxNum; index++) {//进程池循环创建
g_processCBArray[index].processID = index;//进程ID[0-g_processMaxNum-1]赋值
g_processCBArray[index].processStatus = OS_PROCESS_FLAG_UNUSED;// 默认都是白纸一张,贴上未使用标签
LOS_ListTailInsert(&g_freeProcess, &g_processCBArray[index].pendList);//注意g_freeProcess挂的是pendList节点,所以使用要通过OS_PCB_FROM_PENDLIST找到进程实体。
}
g_userInitProcess = 1; /* 1: The root process ID of the user-mode process is fixed at 1 *///用户态的根进程
LOS_ListDelete(&g_processCBArray[g_userInitProcess].pendList);// 将1号进程从空闲链表上摘出去
g_kernelInitProcess = 2; /* 2: The root process ID of the kernel-mode process is fixed at 2 *///内核态的根进程
LOS_ListDelete(&g_processCBArray[g_kernelInitProcess].pendList);// 将2号进程从空闲链表上摘出去
//注意:这波骚操作之后,g_freeProcess链表上还有,0,3,4,...g_processMaxNum-1号进程。创建进程是从g_freeProcess上申请
//即下次申请到的将是0号进程,而 OsCreateIdleProcess 将占有0号进程。
return LOS_OK;
}
1号进程 init
1号进程为用户态的老祖宗。创建过程如下, 省略了不相干的代码。
LITE_OS_SEC_TEXT_INIT INT32 OsMain(VOID)
{
// ...
ret = OsKernelInitProcess();// 创建内核态根进程
// ...
ret = OsSystemInit(); //中间创建了用户态根进程
}
UINT32 OsSystemInit(VOID)
{
//..
ret = OsSystemInitTaskCreate();//创建了一个系统任务,
}
STATIC UINT32 OsSystemInitTaskCreate(VOID)
{
UINT32 taskID;
TSK_INIT_PARAM_S sysTask;
(VOID)memset_s(&sysTask, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S), 0, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S));
sysTask.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)SystemInit;//任务的入口函数,这个函数实现由外部提供
sysTask.uwStackSize = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE;//16K
sysTask.pcName = "SystemInit";//任务的名称
sysTask.usTaskPrio = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_DEFAULT_PRIO;// 内核默认优先级为10
sysTask.uwResved = LOS_TASK_STATUS_DETACHED;//任务分离模式
#if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES)
sysTask.usCpuAffiMask = CPUID_TO_AFFI_MASK(ArchCurrCpuid());//cpu 亲和性设置,记录执行过任务的CPU,尽量确保由同一个CPU完成任务周期
#endif
return LOS_TaskCreate(&taskID, &sysTask);//创建任务并加入就绪队列,并立即参与调度
}
//SystemInit的实现由由外部提供 比如..\vendor\hi3516dv300\module_init\src\system_init.c
void SystemInit(void)
{
// ...
if (OsUserInitProcess()) {//创建用户态进程的老祖宗
PRINT_ERR("Create user init process faialed!\n");
return;
}
}
//用户态根进程的创建过程
LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 OsUserInitProcess(VOID)
{
INT32 ret;
UINT32 size;
TSK_INIT_PARAM_S param = { 0 };
VOID *stack = NULL;
VOID *userText = NULL;
CHAR *userInitTextStart = (CHAR *)&__user_init_entry;//代码区开始位置 ,对应 LITE_USER_SEC_ENTRY
CHAR *userInitBssStart = (CHAR *)&__user_init_bss;// 未初始化数据区(BSS)。在运行时改变其值 对应 LITE_USER_SEC_BSS
CHAR *userInitEnd = (CHAR *)&__user_init_end;// 结束地址
UINT32 initBssSize = userInitEnd - userInitBssStart;
UINT32 initSize = userInitEnd - userInitTextStart;
LosProcessCB *processCB = OS_PCB_FROM_PID(g_userInitProcess);//"Init进程的优先级是 28"
ret = OsProcessCreateInit(processCB, OS_USER_MODE, "Init", OS_PROCESS_USERINIT_PRIORITY);// 初始化用户进程,它将是所有应用程序的父进程
if (ret != LOS_OK) {
return ret;
}
userText = LOS_PhysPagesAllocContiguous(initSize >> PAGE_SHIFT);// 分配连续的物理页
if (userText == NULL) {
ret = LOS_NOK;
goto ERROR;
}
(VOID)memcpy_s(userText, initSize, (VOID *)&__user_init_load_addr, initSize);// 安全copy 经加载器load的结果 __user_init_load_addr -> userText
ret = LOS_VaddrToPaddrMmap(processCB->vmSpace, (VADDR_T)(UINTPTR)userInitTextStart, LOS_PaddrQuery(userText),
initSize, VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_READ | VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_WRITE |
VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_EXECUTE | VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_USER);// 虚拟地址与物理地址的映射
if (ret < 0) {
goto ERROR;
}
(VOID)memset_s((VOID *)((UINTPTR)userText + userInitBssStart - userInitTextStart), initBssSize, 0, initBssSize);// 除了代码段,其余都清0
stack = OsUserInitStackAlloc(g_userInitProcess, &size);//分配任务在用户态下的运行栈,大小为1M
if (stack == NULL) {
PRINTK("user init process malloc user stack failed!\n");
ret = LOS_NOK;
goto ERROR;
}
param.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)userInitTextStart;// 从代码区开始执行,也就是应用程序main 函数的位置
param.userParam.userSP = (UINTPTR)stack + size;// 用户态栈底
param.userParam.userMapBase = (UINTPTR)stack;// 用户态栈顶
param.userParam.userMapSize = size;// 用户态栈大小
param.uwResved = OS_TASK_FLAG_PTHREAD_JOIN;// 可结合的(joinable)能够被其他线程收回其资源和杀死
ret = OsUserInitProcessStart(g_userInitProcess, ¶m);// 创建一个任务,来运行main函数
if (ret != LOS_OK) {
(VOID)OsUnMMap(processCB->vmSpace, param.userParam.userMapBase, param.userParam.userMapSize);
goto ERROR;
}
return LOS_OK;
ERROR:
(VOID)LOS_PhysPagesFreeContiguous(userText, initSize >> PAGE_SHIFT);//释放物理内存块
OsDeInitPCB(processCB);//删除PCB块
return ret;
}
解读:
从代码中可以看出用户态的老祖宗创建过程有点意思,首先它的源头和内核态老祖宗一样都在OsMain。
通过创建一个分离模式,优先级为10的系统任务 SystemInit,来完成。任务的入口函数 SystemInit()的实现由平台集成商来指定。本篇采用了hi3516dv300的实现。也就是说用户态祖宗的创建是在 sysTask。
uwStackSize = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE; //16K 栈中完成的。这个任务归属于内核进程KProcess。
用户态老祖宗的名字叫 Init,优先级为28级。
用户态的每个进程有独立的虚拟进程空间vmSpace,拥有独立的内存映射表(L1,L2表),申请的内存需要重新映射,映射过程在内存系列篇中有详细的说明。
init创建了一个任务,任务的入口地址为 __user_init_entry,由编译器指定。
用户态进程是指应有程序运行的进程,通过动态加载ELF文件的方式启动。具体加载流程系列篇有讲解,不细说。用户态进程运行在用户空间,但通过系统调用可陷入内核空间。具体看这张图:
百文说内核 | 抓住主脉络
子曰:“诗三百,一言以蔽之,曰‘思无邪’。”——《论语》:为政篇。
百文相当于摸出内核的肌肉和器官系统,让人开始丰满有立体感,因是直接从注释源码起步,在开源鸿蒙内核源码加注释过程中,每每有心得处就整理,慢慢形成了以下文章。内容立足源码,常以生活场景打比方尽可能多的将内核知识点置入某种场景,具有画面感,容易理解记忆。说别人能听得懂的话很重要! 百篇博客绝不是百度教条式的在说一堆诘屈聱牙的概念,那没什么意思。更希望让内核变得栩栩如生,倍感亲切.确实有难度,自不量力,但已经出发,回头已是不可能的了。
百万汉字注解内核目的是要看清楚其毛细血管,细胞结构,等于在拿放大镜看内核。内核并不神秘,带着问题去源码中找答案是很容易上瘾的,你会发现很多文章对一些问题的解读是错误的,或者说不深刻难以自圆其说,你会慢慢形成自己新的解读,而新的解读又会碰到新的问题,如此层层递进,滚滚向前,拿着放大镜根本不愿意放手。
与代码有bug需不断debug一样,文章和注解内容会存在不少错漏之处,请多包涵,但会反复修正,持续更新,v**.xx 代表文章序号和修改的次数,精雕细琢,言简意赅,力求打造精品内容。百篇博客系列思维导图结构如下:
根据上图的思维导图,我们未来将要和大家一一分享以上大部分关键技术点的博客文章。
百万汉字注解.精读内核源码
如果大家觉得看文章不过瘾,想直接撸代码的话,可以去下面四大码仓围观同步注释内核源码:
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https://weharmony.coding.net/public/harmony/kernel_liteos_a_note/git/files
写在最后
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