鸿蒙轻内核四大基础功能介绍

本文将为大家介绍鸿蒙轻内核中的进程、线程、内存和网络四大基础功能，包括一些基础概念、实现功能和使用场景等，供想要深入了解鸿蒙操作系统的初学者学习参考。

一、进程

基本概念

从系统的角度看，进程是资源管理单元。进程可以使用或等待CPU、使用内存空间等系统资源，并独立于其它进程运行。

OpenHarmony内核的进程模块可以给用户提供多个进程，实现了进程之间的切换和通信，帮助用户管理业务程序流程。这样用户可以将更多的精力投入到业务功能的实现中。

OpenHarmony内核中的进程采用抢占式调度机制，支持时间片轮转调度方式和FIFO调度机制。

OpenHarmony内核的进程一共有32个优先级(0-31)，用户进程可配置的优先级有22个(10-31)，最高优先级为10，最低优先级为31。

高优先级的进程可抢占低优先级进程，低优先级进程必须在高优先级进程阻塞或结束后才能得到调度。

每一个用户态进程均拥有自己独立的进程空间，相互之间不可见，实现进程间隔离。

用户态根进程Init由内核态创建，其它用户态进程均由Init进程fork而来。

进程状态说明：

初始化（Init）：该进程正在被创建。

就绪（Ready）：该进程在就绪列表中，等待CPU调度。

运行（Running）：该进程正在运行。

阻塞（Pend）：该进程被阻塞挂起。本进程内所有的线程均被阻塞时，进程被阻塞挂起。

僵尸态（Zombies）：该进程运行结束，等待父进程回收其控制块资源。

图 1 进程状态迁移示意图

进程状态迁移说明：

InitReady：

进程创建或fork时，拿到该进程控制块后进入Init状态，处于进程初始化阶段，当进程初始化完成将进程插入调度队列，此时进程进入就绪状态。

ReadyRunning：

进程创建后进入就绪态，发生进程切换时，就绪列表中最高优先级的进程被执行，从而进入运行态。若此时该进程中已无其它线程处于就绪态，则该进程从就绪列表删除，只处于运行态；若此时该进程中还有其它线程处于就绪态，则该进程依旧在就绪队列，此时进程的就绪态和运行态共存。

RunningPend：

进程内所有的线程均处于阻塞态时，进程在最后一个线程转为阻塞态时，同步进入阻塞态，然后发生进程切换。

PendReady / PendRunning：

阻塞进程内的任意线程恢复就绪态时，进程被加入到就绪队列，同步转为就绪态，若此时发生进程切换，则进程状态由就绪态转为运行态。

ReadyPend：

进程内的最后一个就绪态线程处于阻塞态时，进程从就绪列表中删除，进程由就绪态转为阻塞态。

RunningReady：

进程由运行态转为就绪态的情况有以下两种：

有更高优先级的进程创建或者恢复后，会发生进程调度，此刻就绪列表中最高优先级进程变为运行态，那么原先运行的进程由运行态变为就绪态。

若进程的调度策略为SCHED_RR，且存在同一优先级的另一个进程处于就绪态，则该进程的时间片消耗光之后，该进程由运行态转为就绪态，另一个同优先级的进程由就绪态转为运行态。

RunningZombies：

当进程的主线程或所有线程运行结束后，进程由运行态转为僵尸态，等待父进程回收资源。

使用场景

进程创建后，用户只能操作自己进程空间的资源，无法操作其它进程的资源（共享资源除外）。用户态允许进程挂起，恢复，延时等操作，同时也可以设置用户态进程调度优先级和调度策略，获取进程调度优先级和调度策略。进程结束的时候，进程会主动释放持有的进程资源，但持有的进程pid资源需要父进程通过wait/waitpid或父进程退出时回收。

功能

OpenHarmony内核系统中的进程管理模块为用户提供下面几种功能：

表 1 进程管理模块功能

功能分类

接口名

描述

备注

二、线程

基本概念

从系统的角度看，线程是竞争系统资源的最小运行单元。线程可以使用或等待CPU、使用内存空间等系统资源，并独立于其它线程运行。

OpenHarmony内核每个进程内的线程独立运行、独立调度，当前进程内线程的调度不受其它进程内线程的影响。

OpenHarmony内核中的线程采用抢占式调度机制，同时支持时间片轮转调度和FIFO调度方式。

OpenHarmony内核的线程一共有32个优先级(0-31)，最高优先级为0，最低优先级为31。

当前进程内高优先级的线程可抢占当前进程内低优先级线程，当前进程内低优先级线程必须在当前进程内高优先级线程阻塞或结束后才能得到调度。

线程状态说明：

初始化（Init）：该线程正在被创建。

就绪（Ready）：该线程在就绪列表中，等待CPU调度。

运行（Running）：该线程正在运行。

阻塞（Blocked）：该线程被阻塞挂起。Blocked状态包括：pend(因为锁、事件、信号量等阻塞)、suspend（主动pend）、delay(延时阻塞)、pendtime(因为锁、事件、信号量时间等超时等待)。

退出（Exit）：该线程运行结束，等待父线程回收其控制块资源。

图 1 线程状态迁移示意图

线程状态迁移说明：

InitReady：

线程创建拿到控制块后为Init状态，处于线程初始化阶段，当线程初始化完成将线程插入调度队列，此时线程进入就绪状态。

ReadyRunning：

线程创建后进入就绪态，发生线程切换时，就绪列表中最高优先级的线程被执行，从而进入运行态，但此刻该线程会从就绪列表中删除。

RunningBlocked：

正在运行的线程发生阻塞（挂起、延时、读信号量等）时，该线程会从就绪列表中删除，线程状态由运行态变成阻塞态，然后发生线程切换，运行就绪列表中剩余最高优先级线程。

BlockedReady / BlockedRunning：

阻塞的线程被恢复后（线程恢复、延时时间超时、读信号量超时或读到信号量等），此时被恢复的线程会被加入就绪列表，从而由阻塞态变成就绪态；此时如果被恢复线程的优先级高于正在运行线程的优先级，则会发生线程切换，将该线程由就绪态变成运行态。

ReadyBlocked：

线程也有可能在就绪态时被阻塞（挂起），此时线程状态会由就绪态转变为阻塞态，该线程从就绪列表中删除，不会参与线程调度，直到该线程被恢复。

RunningReady：

有更高优先级线程创建或者恢复后，会发生线程调度，此刻就绪列表中最高优先级线程变为运行态，那么原先运行的线程由运行态变为就绪态，并加入就绪列表中。

RunningExit：

运行中的线程运行结束，线程状态由运行态变为退出态。若未设置分离属性（PTHREAD_CREATE_DETACHED）的线程，运行结束后对外呈现的是Exit状态，即退出态。

BlockedExit：

阻塞的线程调用删除接口，线程状态由阻塞态变为退出态。

使用场景

线程创建后，用户态可以执行线程调度、挂起、恢复、延时等操作，同时也可以设置线程优先级和调度策略，获取线程优先级和调度策略。

功能

OpenHarmony内核系统中的线程管理模块，线程间通信为用户提供下面几种功能：

表 1 线程管理模块功能

头文件

名称

说明

备注

三、内存

基本概念

内存管理是开发过程中必须要关注的重要过程，它包括内存的分配、使用和回收。

良好的内存管理对于提高软件性能和可靠性有着十分重要的意义。

使用场景

针对用户态开发，OpenHarmony内存提供了一套内存系统调用接口，支持内存的申请释放、重映射、内存属性的设置等，还有C库的标准内存操作函数。

功能

表 1 标准C库相关接口

头文件

接口

功能

差异接口详细说明：

mmap

函数原型：

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset)；

**函数功能：**申请虚拟内存。

参数说明：

参数

描述

说明： mmap与Linux实现差异详见与Linux标准库的差异章节。

返回值：

成功返回：虚拟内存地址，这地址是页对齐。

失败返回：(void *)-1。

MAP_PRIVATE：内存段私有，对它的修改值仅对本进程有效。

MAP_SHARED：把对该内存段的修改保存到磁盘文件中。

PROT_READ：允许读该内存段。

PROT_WRITE：允许写该内存段。

PROT_EXEC：允许执行该内存段。

PROT_NONE：不能访问。

munmap接口

函数原型：

int munmap(void *addr, size_t length);

**函数功能：**释放虚拟内存。

参数说明：

参数

描述

返回值：

成功返回0。

失败返回-1。

mprotect接口

函数原型：

int mprotect(void *addr, size_t length, int prot)；

**函数功能：**修改内存段的访问权限。

参数说明：

参数

描述

返回值：

成功返回0。

失败返回-1。

PROT_READ：允许读该内存段。

PROT_WRITE：允许写该内存段。

PROT_EXEC：允许执行该内存段。

PROT_NONE：不能访问。

mremap接口

函数原型：

void *mremap(void *old_address, size_t old_size, size_t new_size, int flags, void new_address)；

**函数功能：**重新映射虚拟内存地址。

参数说明：

参数

描述

返回值：

成功返回：重新映射后的虚拟内存地址。

失败返回：((void *)-1)。

MREMAP_MAYMOVE：允许内核将映射重定位到新的虚拟地址。

MREMAP_FIXED：mremap()接受第五个参数，void *new_address，该参数指定映射地址必须页对齐；在new_address和new_size指定的地址范围内的所有先前映射都被解除映射。如果指定了MREMAP_FIXED，还必须指定MREMAP_MAYMOVE。

四、网络

基本概念

网络模块实现了TCP/IP协议栈基本功能，提供标准的POSIX socket接口。

说明： 当前系统使用lwIP提供网络能力。

使用场景

针对用户态开发，OpenHarmony内核提供了一套网络功能系统调用接口，支持socket的创建关闭、数据收发、网络属性的设置等，通过C库提供标准的POSIX socket函数供开发者使用。

功能

表 1 标准C库相关接口

头文件

接口

功能

与标准接口差异详细说明：

sendmsg

函数原型：

ssize_t sendmsg(int s, const struct msghdr *message, int flags)

**函数功能：**发送消息。

参数说明：

参数

描述

返回值：

成功返回：已发送的消息长度（字节数）。

失败返回：-1，并设置errno。

MSG_MORE：允许将多次发送的消息进行拼包发送。

MSG_DONTWAIT：非阻塞操作。

recvmsg

函数原型：

ssize_t recvmsg(int s, struct msghdr *message, int flags)

**函数功能：**接收消息。

参数说明：

参数

描述

返回值：

成功返回：已接收的消息长度（字节数）。

失败返回：-1，并设置errno。

MSG_PEEK：允许预读消息而不取走。

MSG_DONTWAIT：非阻塞操作。

ioctl

函数原型：

int ioctl(int s, int request, ...)

**函数功能：**获取或设置socket属性。

参数说明：

参数

描述

返回值：

成功返回：0。

失败返回：-1，并设置errno。

FIONREAD：获取socket当前可读取的数据大小（字节数）。

FIONBIO：设置socket是否非阻塞。