鴻蒙輕內核源碼分析系列一 前言

鴻蒙輕內核源碼分析系列一 前言

1 鴻蒙輕內核概述

鴻蒙輕內核是基于面向IoT領域構建的Huawei LiteOS輕量級物聯網操作系統內核演進發展的新一代內核。鴻蒙輕內核提供了小體積、低功耗、高性能、快速互聯體驗、生態統一開放的系統能力，新增了豐富的內核機制、更加全面的POSIX標準接口以及統一驅動框架HDF（OpenHarmony Driver Foundation）等，為設備廠商提供了更統一的接入方式，為OpenHarmony的應用開發者提供了更友好的開發體驗。

鴻蒙輕內核具有如下五大優勢：

小體積：內核組件輕量化設計，可根據業務需求，在128K到512M靈活配置伸縮。

低功耗：低功耗超長待機（Tickless、Run-Stop智能休眠技術），典型場景下功耗從mA降到uA級。

高性能：快速啟動系統，百ms級冷啟動抓拍到圖像。

快速互聯體驗：提供分布式軟總線、分布式設備安全連接基礎互聯協議，方便生態設備接入。

統一開放生態：兼容三方庫和生態圈，兼容CMSIS、POSIX接口，三方庫可平滑移植；提供統一的設備驅動框架HDF，方便外設Sensor、器件等驅動開發集成；提供可視化集成開發工具（IDE），實現一站式產品集成、應用開發。

2 鴻蒙輕內核開源介紹

OpenHarmony是開放原子開源基金會（OpenAtom Foundation）旗下開源項目，定位是一款面向全場景的開源分布式操作系統。開源站點是https://gitee.com/openharmony。

本源碼分析專題系列，計劃對OpenHarmony的輕量系統、小型系統的內核源碼進行詳細的分析，幫助開發者更好的理解內核運行機制，更好的掌握內核開發。分析時所涉及的源碼，均可以在開源站點獲取: 輕量系統 kernel_liteos_m代碼倉 、小型系統 kernel_liteos_a代碼倉。為了更容易找到鴻蒙輕內核代碼倉，建議關注Watch、Star、并Fork到自己賬戶下。有任何問題、建議，都可以留言給我們，歡迎反饋問題、貢獻代碼。

3 鴻蒙輕內核源碼分析系列大綱

鴻蒙輕內核源碼分析系列，首先會盤點下重要的數據結構，包含雙向鏈表、就緒隊列、排序鏈表等。會結合數據結構相關繪圖，剖析下據結構及其操作的源代碼，幫助更好的學習和理解這些數據結構的用法。分析完數據結構，會給后續源碼分析奠定基礎，接下來會分析中斷模塊、時間管理模塊的源代碼。然后分析操作系統非常重要的任務模塊、任務調度模塊。分析完畢任務和調度模塊后，會分析負責任務間通信的互斥鎖、信號量、消息隊列模塊。最后是軟件定時器和內存管理模塊。

建議開發者，結合源碼分析系列的講解，參考官方示例程序代碼，動手寫寫程序，實際編譯運行一下，看到運行效果，加深對鴻蒙輕內核的理解。

3.1 數據結構-雙向鏈表

雙向鏈表Doubly Linked List是鴻蒙輕內核最重要的數據結構之一，在各個模塊有著非常廣泛的使用。雙向鏈表是指含有往前和往后兩個方向的鏈表，每個結點中存放下一個節點指針，和一個指向前一個節點的指針。從雙向鏈表中的任意一個結點開始，都可以很方便地訪問它的前驅結點和后繼結點，這種數據結構形式能方便地完成查找、插入、刪除等操作。通過分析雙向鏈接提供的接口源代碼，深入掌握雙向鏈表的使用，在分析內核其他模塊源代碼時，更加容易理解。開發者開發自己的用戶程序時，也可以靈活的使用雙向鏈表。

3.2 數據結構-就緒隊列

在鴻蒙輕內核任務調度模塊，就緒隊列是個重要的數據結構，能夠高效、方便的支持任務基于優先級進行調度。任務創建后，狀態設置為就緒態，并放入就緒隊列。在實現上，就緒隊列是一個雙向循環鏈表數組，每個數組元素就是一個對應任務優先級的鏈表，相同優先級的任務放入同一個鏈表。任務就緒隊列Priority Queue主要供內核模塊內部使用，用戶進行業務開發時不涉及，所以并未對外提供接口。通過分析就緒隊列數據結構及其操作接口源代碼，可以更容易學習、掌握任務接口、任務調度模塊。

3.3 數據結構-排序鏈表

鴻蒙輕內核的任務排序鏈表，用于任務延遲到期/超時喚醒等業務場景，是一個非常重要、非常基礎的數據結構。任務排序鏈表是一個環狀的雙向鏈表數組，雙向鏈表的頭結點，指向雙向鏈表數組的第一個元素，維護游標信息，記錄當前的位置信息。每過一個Tick，游標指向數組下一個位置。數組元素是個雙向鏈表，鏈表節點維護索引和滾動數信息。當運行到的數組位置掛載的雙向鏈表不為空時，則把第一個節點維護的滾動數減1。這樣的數據結構類似鐘表表盤，也稱為時間輪。掌握排序鏈表這一重要的數據結構，會給進一步學習、分析源代碼奠定基礎，讓后續的學習更加容易。

3.4 中斷管理

中斷是指出現需要時，CPU暫停執行當前程序，轉而執行新程序的過程。當外設需要CPU時，將通過產生中斷信號使CPU立即中斷當前任務來響應中斷請求。通過中斷機制，在外設不需要CPU介入時，CPU可以執行其它任務，而當外設需要CPU時，將通過產生中斷信號使CPU立即中斷當前任務來響應中斷請求。這樣可以使CPU避免把大量時間耗費在等待、查詢外設狀態的操作上，有效提高系統實時性以及執行效率。本小節會掌握中斷相關的概念，剖析鴻蒙輕內核的中斷模塊的中斷初始化操作，中斷創建、刪除，開關中斷操作等源代碼。

3.5 時間管理

時間管理模塊以系統時鐘為基礎，可以分為兩部分，一部分是SysTick中斷，為任務調度提供必要的時鐘節拍；另外一部分是，給應用程序提供所有和時間有關的服務，如時間轉換、統計功能。

系統時鐘是由定時器/計數器產生的輸出脈沖觸發中斷產生的，一般定義為整數或長整數。輸出脈沖的周期叫做一個“時鐘滴答”，也稱為時標或者Tick。Tick是操作系統的基本時間單位，由用戶配置的每秒Tick數決定。另外一個計時單位是Cycle，這是系統最小的計時單位。Cycle的時長由系統主時鐘頻率決定，系統主時鐘頻率就是每秒鐘的Cycle數。用戶以秒、毫秒為單位計時，而操作系統以Tick為單位計時，當用戶需要對系統進行操作時，例如任務掛起、延時等，此時可以使用時間管理模塊對Tick和秒/毫秒進行轉換。本小節會剖析鴻蒙輕內核的時間管理模塊的源代碼。

3.6 任務和任務調度

任務是操作系統一個重要的概念，是競爭系統資源的最小運行單元。任務可以使用或等待CPU、使用內存空間等系統資源，并獨立于其它任務運行。任務模塊可以給用戶提供多個任務，實現任務間的切換，幫助用戶管理業務程序流程。任務調度也是操作系統的一個重要模塊，它負責選擇系統要處理的下一個任務。調度模塊需要協調處于就緒狀態的任務對資源的競爭，按優先級策略從就緒隊列中獲取高優先級的任務，給予資源使用權。本文我們來一起學習下任務和任務調度模塊的源代碼，包含任務棧初始化，任務上下文，任務初始化，任務常用操作接口，任務調度函數的源代碼。

3.7 互斥鎖

多任務環境下會存在多個任務訪問同一公共資源的場景，而有些公共資源是非共享的臨界資源，只能被獨占使用。鴻蒙輕內核使用互斥鎖Mutex來避免這種沖突，互斥鎖是一種特殊的二值性信號量，用于實現對臨界資源的獨占式處理。用互斥鎖處理臨界資源的同步訪問時，如果有任務訪問該資源，則互斥鎖為加鎖狀態。此時其他任務如果想訪問這個臨界資源則會被阻塞，直到互斥鎖被持有該鎖的任務釋放后，其他任務才能重新訪問該公共資源，此時互斥鎖再次上鎖，如此可確保同一時刻只有一個任務正在訪問這個臨界資源，保證了臨界資源操作的完整性。本小節會分析下互斥鎖模塊的源代碼。

3.8 信號量

信號量（Semaphore）是一種實現任務間通信的機制，可以實現任務間同步或共享資源的互斥訪問。一個信號量的數據結構中，通常有一個計數值，用于對有效資源數的計數，表示剩下的可被使用的共享資源數。本小節通過詳細分析信號量模塊的源碼，幫助更好的掌握信號量的使用。

3.9 隊列

隊列（Queue）是一種常用于任務間通信的數據結構。任務能夠從隊列里面讀取消息，當隊列中的消息為空時，掛起讀取任務；當隊列中有新消息時，掛起的讀取任務被喚醒并處理新消息。任務也能夠往隊列里寫入消息，當隊列已經寫滿消息時，掛起寫入任務；當隊列中有空閑消息節點時，掛起的寫入任務被喚醒并寫入消息。如果將讀隊列和寫隊列的超時時間設置為0，則不會掛起任務，接口會直接返回，這就是非阻塞模式。消息隊列提供了異步處理機制，允許將一個消息放入隊列，但不立即處理。同時隊列還有緩沖消息的作用。本小節通過分析隊列模塊的源碼，幫助更好的掌握隊列的使用。

3.10 事件

事件（Event）是一種任務間通信的機制，可用于任務間的同步。多任務環境下，任務之間往往需要同步操作，一個等待即是一個同步。事件可以提供一對多、多對多的同步操作。本小節通過分析內核事件模塊的源碼，幫助深入掌握事件的使用。

3.11 定時器

軟件定時器（Software Timer）是基于系統Tick時鐘中斷且由軟件來模擬的定時器。當經過設定的Tick數后，會觸發用戶自定義的回調函數。硬件定時器受硬件的限制，數量上不足以滿足用戶的實際需求。鴻蒙輕內核提供的軟件定時器功能可以提供更多的定時器，滿足用戶需求。本小節通過分析定時器模塊的源碼，幫助開發者更好的掌握定時器的使用。

3.12 靜態內存

內存管理模塊管理系統的內存資源，它是操作系統的核心模塊之一，主要包括內存的初始化、分配以及釋放。在系統運行過程中，內存管理模塊通過對內存的申請/釋放來管理用戶和OS對內存的使用，使內存的利用率和使用效率達到最優，同時最大限度地解決系統的內存碎片問題。鴻蒙輕內核的內存管理分為靜態內存管理和動態內存管理。

靜態內存模塊，支持在靜態內存池中分配用戶初始化時預設的固定大小的內存塊，分配和釋放效率高，靜態內存池中無碎片。只能申請到初始化預設大小的內存塊，不能按需申請。本小節主要分析靜態內存（Memory Box）模塊的源代碼，幫助開發者更深入的掌握靜態內存的使用。

3.13 動態內存

動態內存管理模塊主要用于用戶需要使用大小不等的內存塊的場景。當用戶需要使用內存時，可以通過操作系統的動態內存申請函數索取指定大小的內存塊，一旦使用完畢，通過動態內存釋放函數歸還所占用內存，使之可以重復使用。可以按需分配，缺點是內存池可能出現碎片。本小節主要分析動態內存模塊的源代碼，介紹動態內存分配算法，幫助開發者更深入的掌握動態內存的使用。

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任務調度 數據結構

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