如何区分xenomai、linux系统调用/服务

Linux阅码场 2022-05-10 1774

描述

一、如何区分xenomai、linux系统调用/服务

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内核系统调用的流程，读了以后可能会觉得缺了点什么，你可能会有以下疑问：

系统中的两个内核都是POSIX接口实现系统调用，那么我们用POSIX接口写了一个应用程序，怎样知道它调用的内核，或者如何区分这个应用是cobalt内核的应用，而不是普通linux应用？
对于同一个POSIX接口应用程序，可能既需要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)，或者既有libcobalt，又有glibc库，他们是如何实现和区分的？

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。但是我们应用程序调用的代码函数symbol完全一样，我们会有疑惑xenomai是如何狸猫换太子的？首先链接是通过符号表(symbol)来链接的，当然也就要从代码符号（symbol）入手，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: cleanclean:        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 --helpxeno-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 OPTIONSOptions :        --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
", 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,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，现在我们明白我们的posix函数如何和xenomai对接上了。

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。

我们还有另一个问题，既然链接到了libcobalt，但我们是要Linux来提供服务，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。

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

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libcobaltwrappers.c实现如下：

/* pthread */__weakint __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.xlibcobalt tdm.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()宏来表示使用linux接口。
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内核系统调用或者调用glibc函数。
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 xenomailibcobaltcobalt.wrappers中，这样才能正确链接，否则编译后的应用还是原来的。

二、如何为xenomai添加一个系统调用

1. 添加系统调用

有的时候我们需要给系统添加一个特殊功能的系统调用，比如我们在对xenomai做benchmark测试的时候，需要测试每个系统服务操作系统需要消耗多长时间，比如测量获取信号量操作系统的耗时。我们知道中断优先级最高，会强占前台的操作系统和应用，为了更准确的测量获取信号量时操作系统的耗时，这里需要将这种情况下的结果丢弃，我们就需要一个获取xenomai中断次数的系统调用。

假设该系统没有任何实时驱动运行，且设置了xenomai.supportedcpus和linux irqaffinity，supportedcpus启用tickless，下面给xenomai添加一个系统调用 get_timer_hits()，用于获取应用程序运行CPU的定时器中断产生的次数（类似于VxWorks里的tickGet()，VxWorks是采用周期tick的方式来驱动系统运作，tickGet()获取的也就是tick定时器中断的次数)。以该系统调用来举例如何为xenomai添加一个实时系统调用。

在前两篇文中说到，xenomai每个系统的系统系统调用号在 cobaltuapisyscall.h中：

#define sc_cobalt_bind         0#define sc_cobalt_thread_create      1#define sc_cobalt_thread_getpid          2......#define sc_cobalt_extend           96

在此添加 sc_cobalt_get_timer_hits的系统,为了避免与xenomai系统调用冲突（xenomai官方添加的系统调用号从小到大），那我们就从最后一个系统调用添加，即127号系统调用，如下。

#define sc_cobalt_bind             0#define sc_cobalt_thread_create            1#define sc_cobalt_thread_getpid            2......#define sc_cobalt_extend            96#define sc_cobalt_ftrace_puts                   97#define sc_cobalt_recvmmsg                      98#define sc_cobalt_sendmmsg                      99#define sc_cobalt_clock_adjtime                 100#define sc_cobalt_thread_setschedprio           101#define sc_cobalt_get_timer_hits            127#define __NR_COBALT_SYSCALLS                    128 /* Power of 2 */

先确定一下我们这个函数的API形式，由于是一个非标准的形式，这里表示如下：

int get_timer_hits(unsigned long *u_tick);

参数为保存hits的变量地址；

返回值：成功0；出错 <0;

系统调用的头文件，然后添加一个系统调用的声明,觉得它和clock相关，那就放在 kernelxenomaiposixclock.h中吧。

#includeCOBALT_SYSCALL_DECL(get_timer_hits,  (unsigned long __user *u_tick));

然后是该函数的内核实现，放在 /kernelxenomaiposixclock.c，如下：

COBALT_SYSCALL(get_timer_hits, primary,          (unsigned long __user *u_tick)){        struct xnthread *thread;    unsigned long tick;    int cpu;    int ret = 0;       unsigned int irq;    thread = xnthread_current();    if (thread == NULL)                return -EPERM;    /*得到当前任务CPU号*/    cpu = xnsched_cpu(thread->sched);    irq = per_cpu(ipipe_percpu.hrtimer_irq, cpu);    /*读取该CPU中断计数*/    tick = __ipipe_cpudata_irq_hits(&xnsched_realtime_domain, cpu,                         irq);    if (cobalt_copy_to_user(u_tick, &tick, sizeof(tick)))                return -EFAULT;    return ret;}

需要注意的是该系统调用的权限，这里使用 primary,表示只有cobalt上下文（实时线程）才能调用。

修改完成后重新编译内核并安装。

2.Cobalt库添加接口

在前两篇文中说到，xenomai系统调用由libcobalt发起，所以修改应用库来添加该函数接口，添加声明 includecobalt ime.h：

COBALT_DECL(int,get_timer_hits(unsigned long tick));

xenomai3.x.xlibcobaltclock.c添加该接口定义：

COBALT_IMPL(int,get_timer_hits, (unsigned long * tick)){        int ret;        ret = -XENOMAI_SYSCALL1(sc_cobalt_get_tick,                                tick);        return ret;}

因为该系统调用和posix接口没有符号重名，不需要修改wrappers文件，完成上述步骤后重新编译并安装xenomai库。

3. 应用使用

由于我们添加 get_timer_hits()系统调用时,指定了系统调用的权限为primary，这里创建一个实时任务,使用宏 __RT()指定链接到libcobalt库。

#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include 
#define PRIO 50
void test(void *cookie){  unsigned long tick;  int ret;  ret  = __RT(get_timer_hits(&tick));  if (ret){    fprintf(stderr,      "%s: failed to get_tick,%s
",      __func__,strerror(-ret));    return ret;  }      fprintf(stdout,"timer_hits:%ld
",tick);    /*....*/  return 0;}
int main(int argc, char *const *argv){    struct sigaction sa __attribute__((unused));  int sig, cpu = 0;  char sem_name[16];  sigset_t mask;  RT_TASK task;    int ret;        sigemptyset(&mask);  sigaddset(&mask, SIGINT);  sigaddset(&mask, SIGTERM);  sigaddset(&mask, SIGHUP);  sigaddset(&mask, SIGALRM);  pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL);  setlinebuf(stdout);      ret = rt_task_spawn(&task, "test_task", 0, PRIO,             T_JOINABLE, test, NULL);  if (ret){    fprintf(stderr,      "%s: failed to create task,%s
",      __func__,strerror(-ret));    return ret;  }        __STD(sigwait(&mask, &sig));    rt_task_join(&task);    rt_task_delete(&task);        return 0;}

编译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 := get-timer-hits
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: cleanclean:        rm -f $(EXECUTABLE) $(obj)

运行结果:

$./get-timer-hitstimer_hits:3

可以看到，虽然系统已经启动十几分钟了，但一直没有运行xenomai应用，xenomai tick相关中断才产生了3次，这就是tickless，后面会出xenomai调度及时间子系统和xenomai benchmark相关文章，敬请关注。

审核编辑：李倩

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