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 | v1.11

子曰:“见贤思齐焉,见不贤而内自省也。” 《论语》:里仁篇

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百篇博客系列篇.本篇为:

v01.xx 鸿蒙内核源码分析(双向链表篇) | 谁是内核最重要结构体

基础工具相关篇为:

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!

内核的各个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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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.

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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。

功能分类            接口名                        描述
初始化链表          LOS_ListInit                对链表进行初始化
增加节点            LOSListAdd                  将新节点添加到链表中
在链表尾部插入节点   LOS_ListTailInsert          将节点插入到双向链表尾部
在链表头部插入节点   LOS_ListHeadInsert          将节点插入到双向链表头部
删除节点            LOS_ListDelete              将指定的节点从链表中删除
判断双向链表是否为空 LOS_ListEmpty               判断链表是否为空
删除节点并初始化链表 LOS_ListDelInit             将指定的节点从链表中删除使用该节点初始化链表
在链表尾部插入链表   LOS_ListTailInsertList    将链表插入到双向链表尾部
在链表头部插入链表   LOS_ListHeadInsertList    将链表插入到双向链表头部

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;
}
//将指定节点从链表中删除,并使用该节点初始化链表
LITE_OS_SEC_ALW_INLINE STATIC INLINE VOID LOS_ListDelInit(LOS_DL_LIST *list)
{
    list->pstNext->pstPrev = list->pstPrev;
    list->pstPrev->pstNext = list->pstNext;
    LOS_ListInit(list);
}

此处仅列出 LOS_ListDelInit

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强大的宏

除了内联函数,对双向链表的初始化,偏移定位,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))

LOS_OFF_SET_OF 和 LOS_DL_LIST_ENTRY

这里要重点说下 LOS_OFF_SET_OFLOS_DL_LIST_ENTRY两个宏,个人认为它们是链表操作中最关键,最重要的宏.在读内核源码的过程会发现LOS_DL_LIST_ENTRY高频的出现,它们解决了通过结构体的任意一个成员变量来找到结构体的入口地址.
这个意义重大,因为在运行过程中,往往只能提供成员变量的地址,那它是如何做到通过个人找到组织的呢?

  • LOS_OFF_SET_OF找到成员变量在结构体中的相对偏移位置. 在系列篇 用栈方式篇中 已说过 鸿蒙采用的是递减满栈的方式.以ProcessCB 结构体举例

    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;

    waitList因为在结构体的后面,所以它内存地址会比在前面的pendList高,有了顺序方向就很容易得到ProcessCB的第一个变量的地址.LOS_OFF_SET_OF就是干这个的,含义就是相对第一个变量地址,你waitList偏移了多少.

  • 如此,当外面只提供waitList的地址再减去偏移地址 就可以得到ProcessCB的起始地址.

    #define LOS_DL_LIST_ENTRY(item, type, member) \
        ((type *)(VOID *)((CHAR *)(item) - LOS_OFF_SET_OF(type, member)))

    当然如果提供pendListexitChildList的地址道理一样.LOS_DL_LIST_ENTRY实现了通过任意成员变量来获取ProcessCB的起始地址.

    OsGetTopTask

    有了以上对链表操作的宏,可以使得代码变得简洁易懂,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其任务的就绪列表.LOS_DL_LIST_FOR_EACH_ENTRY高效的解决了层层循环的问题.

    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,再以 ProcessCB(进程控制块)举例,它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!

百万汉字注解.精读内核源码

百篇博客分析.深挖内核地基

给鸿蒙内核源码加注释过程中,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,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。 :P
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,.xx 代表修改的次数,精雕细琢,言简意赅,力求打造精品内容。

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