摘要：本文介绍了 LiteOS-M 内核 Newlib C 的实现，特别是文件系统和内存分配释放部分，最后介绍了 Newlib 钩子函数。
本文分享自华为云社区《鸿蒙轻内核M核源码分析系列二十 Newlib C》，作者： zhushy。
使用 Musl C 库的时候，内核提供了基于 LOS_XXX 适配实现 pthread、mqeue、fs、semaphore、time 等模块的 posix 接口（//kernel/liteos_m/kal/posix）。内核提供的 posix 接口与 musl 中的标准 C 库接口共同组成 LiteOS-M 的 LibC。编译时使用 arm-none-eabi-gcc，但只使用其工具链的编译功能，通过加上-nostdinc 与-nostdlib 强制使用我们自己改造后的 musl-C。
社区及三方厂商开发多使用公版工具链 arm-none-eabi-gcc 加上私有定制优化进行编译，LiteOS-M 内核也支持公版 arm-none-eabi-gcc C 库编译内核运行。newlib 是小型 C 库，针对 posix 接口涉及系统调用的部分，newlib 提供一些需要系统适配的钩子函数，例如_exit()，_open()，_close()，_gettimeofday()等，操作系统适配这些钩子，就可以使用公版 newlib 工具链编译运行程序。
1、Newlib C 文件系统
在使用 Newlib C 并且使能支持 POSIX FS API 时（可以在 kernel\liteos-m\目录下，执行 make meuconfig 弹出配置界面，路径为 Compat-Choose libc implementation），如下图所示。可以使用文件 kal\libc\newlib\porting\src\fs.c 中定义的文件系统操作接口。这些是标准的 POSIX 接口，如果想了解 POSIX 用法，可以在 linux 平台输入 man -a 函数名称，比如 man -a opendir 来打开函数的手册。
1.1 函数 mount、umount 和 umount2
这些函数的用法，函数实现和 musl c 部分一致。
int mount(const char *source, const char *target, const char *filesystemtype, unsigned long mountflags, const void *data){ return LOS_FsMount(source, target, filesystemtype, mountflags, data);}
int umount(const char *target){ return LOS_FsUmount(target);}
int umount2(const char *target, int flag){ return LOS_FsUmount2(target, flag);}
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1.2 文件操作接口
以下划线开头的函数实现是 newlib c 的钩子函数实现。有关 newlib 的钩子函数调用过程下文专门分析下。
int _open(const char *path, int oflag, ...){ va_list vaList; va_start(vaList, oflag); int ret; ret = LOS_Open(path, oflag); va_end(vaList); return ret;}
int _close(int fd){ return LOS_Close(fd);}
ssize_t _read(int fd, void *buf, size_t nbyte){ return LOS_Read(fd, buf, nbyte);}
ssize_t _write(int fd, const void *buf, size_t nbyte){ return LOS_Write(fd, buf, nbyte);}
off_t _lseek(int fd, off_t offset, int whence){ return LOS_Lseek(fd, offset, whence);}
int _unlink(const char *path){ return LOS_Unlink(path);}
int _fstat(int fd, struct stat *buf){ return LOS_Fstat(fd, buf);}
int _stat(const char *path, struct stat *buf){ return LOS_Stat(path, buf);}
int fsync(int fd){ return LOS_Fsync(fd);}
int mkdir(const char *path, mode_t mode){ return LOS_Mkdir(path, mode);}
DIR *opendir(const char *dirName){ return LOS_Opendir(dirName);}
struct dirent *readdir(DIR *dir){ return LOS_Readdir(dir);}
int closedir(DIR *dir){ return LOS_Closedir(dir);}
int rmdir(const char *path){ return LOS_Unlink(path);}
int rename(const char *oldName, const char *newName){ return LOS_Rename(oldName, newName);}
int statfs(const char *path, struct statfs *buf){ return LOS_Statfs(path, buf);}
int ftruncate(int fd, off_t length){ return LOS_Ftruncate(fd, length);}
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在 newlib 没有使能使能支持 POSIX FS API 时时，需要提供这些钩子函数的空的实现，返回-1 错误码即可。
int _open(const char *path, int oflag, ...){ return -1;}
int _close(int fd){ return -1;}
ssize_t _read(int fd, void *buf, size_t nbyte){ return -1;}
ssize_t _write(int fd, const void *buf, size_t nbyte){ return -1;}
off_t _lseek(int fd, off_t offset, int whence){ return -1;}
int _unlink(const char *path){ return -1;}
int _fstat(int fd, struct stat *buf){ return -1;}
int _stat(const char *path, struct stat *buf){ return -1;}
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2、Newlib C 内存分配释放
newlibc 的 malloc 适配参考The Red Hat newlib C Library-malloc。实现 malloc 适配有以下两种方法：
实现 _sbrk_r 函数。这种方法中，内存分配函数使用 newlib 中的。
实现 _malloc_r, _realloc_r, _free_r, _memalign_r, _malloc_usable_size_r 等。这种方法中，内存分配函数可以使用内核的。
为了方便地根据业务进行内存分配算法调优和问题定位，推荐选择后者。内核的内存函数定义在文件 kal\libc\newlib\porting\src\malloc.c 中。源码片段如下，代码实现比较简单，不再分析源码。
......void __wrap__free_r(struct _reent *reent, void *aptr){ if (aptr == NULL) { return; }
LOS_MemFree(OS_SYS_MEM_ADDR, aptr);}
size_t __wrap__malloc_usable_size_r(struct _reent *reent, void *aptr){ return 0;}
void *__wrap__malloc_r(struct _reent *reent, size_t nbytes){ if (nbytes == 0) { return NULL; }
return LOS_MemAlloc(OS_SYS_MEM_ADDR, nbytes);}
void *__wrap__memalign_r(struct _reent *reent, size_t align, size_t nbytes){ if (nbytes == 0) { return NULL; }
return LOS_MemAllocAlign(OS_SYS_MEM_ADDR, nbytes, align);}......
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可能已经注意到函数命名由__wrap_加上钩子函数名称两部分组成。这是因为 newlib 中已经存在这些函数的符号，因此需要用到 gcc 的 wrap 的链接选项替换这些函数符号为内核的实现，在设备开发板的配置文件中，比如//device/board/fnlink/v200zr/liteos_m/config.gni，新增这些函数的 wrap 链接选项，示例如下：
board_ld_flags += [ "-Wl,--wrap=_malloc_r", "-Wl,--wrap=_realloc_r", "-Wl,--wrap=_free_r", "-Wl,--wrap=_memalign_r", "-Wl,--wrap=_malloc_usable_size_r",]
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3、Newlib 钩子函数介绍
以 open 函数的钩子函数_open 为例来介绍 newlib 的钩子函数的调用过程。open()函数实现在 newlib-cygwin\newlib\libc\syscalls\sysopen.c 中，该函数会进一步调用函数_open_r，这是个可重入函数 Reentrant Function，支持在多线程中运行。
intopen (const char *file, int flags, ...){ va_list ap; int ret;
va_start (ap, flags); ret = _open_r (_REENT, file, flags, va_arg (ap, int)); va_end (ap); return ret;}
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所有的可重入函数定义在文件夹 newlib-cygwin\newlib\libc\reent，函数_open_r 定义在该文件夹的文件 newlib-cygwin\newlib\libc\reent\openr.c 里。函数代码如下：
int_open_r (struct _reent *ptr, const char *file, int flags, int mode){ int ret;
errno = 0; if ((ret = _open (file, flags, mode)) == -1 && errno != 0) ptr->_errno = errno; return ret;}
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函数_open_r 如上述代码所示，会进一步调用函数_open，该函数，以 arm 硬件平台为例，实现在 newlib-cygwin\libgloss\arm\syscalls.c 文件里。newlib 目录是和硬件平台无关的痛殴他那个功能实现，libloss 目录是底层的驱动实现，以各个硬件平台为文件夹进行组织。在特定硬件平台的目录下的 syscalls.c 文件里面实现了 newlib 需要的各个桩函数：
/* Forward prototypes. */int _system (const char *);int _rename (const char *, const char *);int _isatty (int);clock_t _times (struct tms *);int _gettimeofday (struct timeval *, void *);int _unlink (const char *);int _link (const char *, const char *);int _stat (const char *, struct stat *);int _fstat (int, struct stat *);int _swistat (int fd, struct stat * st);void * _sbrk (ptrdiff_t);pid_t _getpid (void);int _close (int);clock_t _clock (void);int _swiclose (int);int _open (const char *, int, ...);int _swiopen (const char *, int);int _write (int, const void *, size_t);int _swiwrite (int, const void *, size_t);_off_t _lseek (int, _off_t, int);_off_t _swilseek (int, _off_t, int);int _read (int, void *, size_t);int _swiread (int, void *, size_t);void initialise_monitor_handles (void);
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对于上文提到的函数_open，源码如下。后续不再继续分析了，LiteOS-M 内核会提供这些钩子函数的实现。
int_open (const char * path, int flags, ...){ return _swiopen (path, flags);}
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