鸿蒙内核源码分析(双向链表篇) | 谁是内核最重要结构体 ? | 开篇致敬鸿蒙内核开发者 | v1.10

2022-11-13 15:56:52

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谁是鸿蒙内核最重要的结构体?

答案一定是: LOS_DL_LIST(双向链表),它长这样.

typedef struct LOS_DL_LIST {//双向链表，内核最重要结构体
    struct LOS_DL_LIST *pstPrev; /**< Current node's pointer to the previous node *///前驱节点(左手)
    struct LOS_DL_LIST *pstNext; /**< Current node's pointer to the next node *///后继节点(右手)
} LOS_DL_LIST;

结构体够简单了吧,只有前后两个指向自己的指针,但恰恰是因为太简单,所以才太不简单. 就像氢原子一样,宇宙中无处不在,占比最高,原因是因为它最简单,最稳定!

内核的各自模块都能看到双向链表的身影,下图是各处初始化双向链表的操作,因为太多了,只截取了部分:

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很多人问图怎么来的, source insight 4.0 是阅读大型C/C++工程的必备工具,要用4.0否则中文有乱码.

可以豪不夸张的说理解LOS_DL_LIST及相关函数是读懂鸿蒙内核的关键。前后指针(注者后续将比喻成一对左右触手)灵活的指挥着系统精准的运行，越是深入分析内核源码，越能感受到内核开发者对LOS_DL_LIST非凡的驾驭能力，笔者仿佛看到了无数双手前后相连，拉起了一个个双向循环链表，把指针的高效能运用到了极致，这也许就是编程的艺术吧！这么重要的结构体还是需详细讲解一下.

基本概念

双向链表是指含有往前和往后两个方向的链表，即每个结点中除存放下一个节点指针外，还增加一个指向其前一个节点的指针。其头指针head是唯一确定的。从双向链表中的任意一个结点开始，都可以很方便地访问它的前驱结点和后继结点，这种数据结构形式使得双向链表在查找时更加方便，特别是大量数据的遍历。由于双向链表具有对称性，能方便地完成各种插入、删除等操作，但需要注意前后方向的操作。

有好几个同学问数据在哪? 确实LOS_DL_LIST这个结构看起来怪怪的，它竟没有数据域！所以看到这个结构的人第一反应就是我们怎么访问数据？其实LOS_DL_LIST不是拿来单独用的，它是寄生在内容结构体上的,谁用它谁就是它的数据.看图就明白了. 鸿蒙内核源码分析(双向链表篇) | 谁是内核最重要结构体 ? | 开篇致敬鸿蒙内核开发者 | v1.10

功能接口

鸿蒙系统中的双向链表模块为用户提供下面几个接口。

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请结合下面的代码和图去理解双向链表,不管花多少时间,一定要理解它的插入/删除动作, 否则后续内容将无从谈起.

//将指定节点初始化为双向链表节点
LITE_OS_SEC_ALW_INLINE STATIC INLINE VOID LOS_ListInit(LOS_DL_LIST *list)
{
    list->pstNext = list;
    list->pstPrev = list;
}

//将指定节点挂到双向链表头部
LITE_OS_SEC_ALW_INLINE STATIC INLINE VOID LOS_ListAdd(LOS_DL_LIST *list, LOS_DL_LIST *node)
{
    node->pstNext = list->pstNext;
    node->pstPrev = list;
    list->pstNext->pstPrev = node;
    list->pstNext = node;
}
//将指定节点从链表中删除,自己把自己摘掉
LITE_OS_SEC_ALW_INLINE STATIC INLINE VOID LOS_ListDelete(LOS_DL_LIST *node)
{
    node->pstNext->pstPrev = node->pstPrev;
    node->pstPrev->pstNext = node->pstNext;
    node->pstNext = NULL;
    node->pstPrev = NULL;
}

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强大的宏

除了内联函数,对双向遍历的初始化,定位,遍历 等等操作提供了更强大的宏支持.使内核以极其简洁高效的代码实现复杂逻辑的处理.

//定义一个节点并初始化为双向链表节点
#define LOS_DL_LIST_HEAD(list) LOS_DL_LIST list = { &(list), &(list) }

//获取指定结构体内的成员相对于结构体起始地址的偏移量
#define LOS_OFF_SET_OF(type, member) ((UINTPTR)&((type *)0)->member)

//获取包含链表的结构体地址，接口的第一个入参表示的是链表中的某个节点，第二个入参是要获取的结构体名称，第三个入参是链表在该结构体中的名称
#define LOS_DL_LIST_ENTRY(item, type, member) \
    ((type *)(VOID *)((CHAR *)(item) - LOS_OFF_SET_OF(type, member)))

//遍历双向链表
#define LOS_DL_LIST_FOR_EACH(item, list) \
    for (item = (list)->pstNext;         \
         (item) != (list);               \
         item = (item)->pstNext)

//遍历指定双向链表，获取包含该链表节点的结构体地址，并存储包含当前节点的后继节点的结构体地址
#define LOS_DL_LIST_FOR_EACH_ENTRY_SAFE(item, next, list, type, member)               \
    for (item = LOS_DL_LIST_ENTRY((list)->pstNext, type, member),                     \
         next = LOS_DL_LIST_ENTRY((item)->member.pstNext, type, member);              \
         &(item)->member != (list);                                                   \
         item = next, next = LOS_DL_LIST_ENTRY((item)->member.pstNext, type, member))

//遍历指定双向链表，获取包含该链表节点的结构体地址
#define LOS_DL_LIST_FOR_EACH_ENTRY(item, list, type, member)             \
    for (item = LOS_DL_LIST_ENTRY((list)->pstNext, type, member);        \
         &(item)->member != (list);                                      \
         item = LOS_DL_LIST_ENTRY((item)->member.pstNext, type, member))

例如在调度算法中获取当前最高优先级的任务时,就需要遍历整个进程和进程任务的所有就绪列表. LOS_DL_LIST_FOR_EACH_ENTRY高效的解决了层层循环的问题,让代码简洁易懂.

LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR LosTaskCB *OsGetTopTask(VOID)
{
    UINT32 priority, processPriority;
    UINT32 bitmap;
    UINT32 processBitmap;
    LosTaskCB *newTask = NULL;
#if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES)
    UINT32 cpuid = ArchCurrCpuid();
#endif
    LosProcessCB *processCB = NULL;
    processBitmap = g_priQueueBitmap;
    while (processBitmap) {
        processPriority = CLZ(processBitmap);
        LOS_DL_LIST_FOR_EACH_ENTRY(processCB, &g_priQueueList[processPriority], LosProcessCB, pendList) {
            bitmap = processCB->threadScheduleMap;
            while (bitmap) {
                priority = CLZ(bitmap);
                LOS_DL_LIST_FOR_EACH_ENTRY(newTask, &processCB->threadPriQueueList[priority], LosTaskCB, pendList) {
#if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES)
                    if (newTask->cpuAffiMask & (1U << cpuid)) {
#endif
                        newTask->taskStatus &= ~OS_TASK_STATUS_READY;
                        OsPriQueueDequeue(processCB->threadPriQueueList,
                                          &processCB->threadScheduleMap,
                                          &newTask->pendList);
                        OsDequeEmptySchedMap(processCB);
                        goto OUT;
#if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES)
                    }
#endif
                }
                bitmap &= ~(1U << (OS_PRIORITY_QUEUE_NUM - priority - 1));
            }
        }
        processBitmap &= ~(1U << (OS_PRIORITY_QUEUE_NUM - processPriority - 1));
    }

OUT:
    return newTask;
}

结构体的最爱

LOS_DL_LIST是复杂结构体的最爱,以下举例 ProcessCB(进程控制块)是描述一个进程的所有信息,其中用到了 8个双向链表,这简直比章鱼还牛逼,章鱼也才四双触手,但进程有8双(16只)触手.

typedef struct ProcessCB {
    //...此处省略其他变量
    LOS_DL_LIST          pendList;                     /**< Block list to which the process belongs */ //进程所属的阻塞列表,如果因拿锁失败,就由此节点挂到等锁链表上
    LOS_DL_LIST          childrenList;                 /**< my children process list */	//孩子进程都挂到这里,形成双循环链表
    LOS_DL_LIST          exitChildList;                /**< my exit children process list */	//那些要退出孩子进程挂到这里，白发人送黑发人。
    LOS_DL_LIST          siblingList;                  /**< linkage in my parent's children list */ //兄弟进程链表, 56个民族是一家,来自同一个父进程.
    LOS_DL_LIST          subordinateGroupList;         /**< linkage in my group list */ //进程是组长时,有哪些组员进程
    LOS_DL_LIST          threadSiblingList;            /**< List of threads under this process *///进程的线程(任务)列表
    LOS_DL_LIST          threadPriQueueList[OS_PRIORITY_QUEUE_NUM]; /**< The process's thread group schedules thepriority hash table */	//进程的线程组调度优先级哈希表
    LOS_DL_LIST          waitList;     /**< The process holds the waitLits to support wait/waitpid *///进程持有等待链表以支持wait/waitpid
} LosProcessCB;

解读

  • pendList 个人认为它是鸿蒙内核功能最多的一个链表,它远不止字面意思阻塞链表这么简单,只有深入解读源码后才能体会它真的是太会来事了,一般把它理解为阻塞链表就行.上面挂的是处于阻塞状态的进程.
  • childrenList孩子链表,所有由它fork出来的进程都挂到这个链表上.上面的孩子进程在死亡前会将自己从上面摘出去,转而挂到exitChildList链表上.
  • exitChildList退出孩子链表,进入死亡程序的进程要挂到这个链表上,一个进程的死亡是件挺麻烦的事,进程池的数量有限,需要及时回收进程资源,但家族管理关系复杂,要去很多地方消除痕迹.尤其还有其他进程在看你笑话,等你死亡(wait/waitpid)了通知它们一声.
  • siblingList兄弟链表,和你同一个父亲的进程都挂到了这个链表上.
  • subordinateGroupList 朋友圈链表,里面是因为兴趣爱好(进程组)而挂在一起的进程,它们可以不是一个父亲,不是一个祖父,但一定是同一个老祖宗(用户态和内核态根进程).
  • threadSiblingList线程链表,上面挂的是进程ID都是这个进程的线程(任务),进程和线程的关系是1:N的关系,一个线程只能属于一个进程.这里要注意任务在其生命周期中是不能改所属进程的.
  • threadPriQueueList线程的调度队列数组,一共32个,任务和进程一样有32个优先级,调度算法的过程是先找到优先级最高的进程,在从该进程的任务队列里去最高的优先级任务运行.
  • waitList 是等待子进程消亡的任务链表,注意上面挂的是任务.任务是通过系统调用 
      pid_t wait(int *status);
  pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
    将任务挂到waitList上.鸿蒙waitpid系统调用为SysWait,具体看进程回收篇.

双向链表是内核最重要的结构体,精读内核的路上它会反复的映入你的眼帘,理解它是理解内核运作的关键所在!

鸿蒙源码百篇博客 往期回顾

在给 鸿蒙内核源码加中文注释 过程中,整理出以下文章.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.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.:P

写文章比写代码累多了,越深入研究,越觉得没写好,所以文章和注解会反复修正, .xx代表修改的次数, 将持续完善源码注解和文档内容，精雕细琢，言简意赅, 尽全力打磨精品内容.

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