xenomai內核解析-內核對象註冊表—xnregistry(重要組件)

xenomai內核解析—內核對象註冊表—xnregistry(重要組件)

2020 年 7 月 23 日
筆記
xenomai, 同步與互斥

1. 概述

上篇文章xenomai內核解析–同步互斥機制(一)–優先順序倒置講到,對於所有內核對象：

xnregistry：保存內核對象，提供內核對象存儲和快速檢索。

xnsynch：資源抽象，提供執行緒與資源的同步互斥管理機制。

舉個應用例子,有兩個xenoami任務，使用semaphore做互斥，任務1創建一個名為/test-sem的semaphore，任務2打開這個semaphore，以這個過程為例，帶你了解xnregistry。

/*任務1*/
    sem_t *dome_sem;
.....
	dome_sem = sem_open("/test-sem", O_CREAT | O_EXCL, 0666, 0);
	if (dome_sem == SEM_FAILED)
			error(1, errno, "sem_open()");
.....
    sem_wait(dome_sem);
.....
	sem_post(dome_sem);
.....

/*任務2*/
    sem_t *dome_sem;
.....
	dome_sem = sem_open("/test-sem", 0);
	if (dome_sem == SEM_FAILED)
			error(1, errno, "sem_open()");
.....
    sem_wait(dome_sem);
.....
	sem_post(dome_sem);
.....

問題1：任務1創建的這個semaphore是如何管理的？
問題2：任務2又是如何通過name找到它的？

本片文章解析xenomai內核中的xnregistry。至於xenomai semaphore具體的內核機制及創建流程，以後文章介紹，敬請關注。

2. 命名內核對象管理

xnregistry用於保存xenomai全局內核對象。這些對象分為兩種，一種有name，常用於兩個及以上進程間，可以通過name來找到同一對象。另一種沒有name，常用於同一進程空間。

涉及通過字元串name來查找的內核對象稱為命名內核對象，xenomai內核中名內核對象有：有名訊號量(sem)、有名消息隊列(mq)、進程間通過label相互通訊的xddp/bufp/iddp等。

創建命名對象的時候，

先從register_obj_solts中分配一個xnobject；
然後將name作為xnobject成員key，具體對象（cobalt_sem）的地址作為value保存到xnobject的成員objaddr中。
向xnregistry中存儲該xnobject時，會將name作為key經過hash運算，根據運算得到的hash值s,選擇合適的hash bucket，該bucket在xenomai中為object_index[]，然後將xnobject插入選定的object_index[s]鏈表中。
當另一個執行緒open同一name的對象時，通過name可從object_index[]中快速得到該內核對象。

name只在創建和通過name查找時使用，一個對象通過name查找或創建後會保存一個xnhandlet，後續操作使用xnhandlet代替，提高xnobjet的訪問速度。

創建時註冊cobalt_sem流程如下所示。

register_obj_solts用於保存型號量這個xnobject，上面的問題1.
object_index用於檢索，上面的問題2。

我們接著來看創建後保存的這個xnhandlet，cobalt_sem創建完成後會保存xnhandlet到訊號量句柄sem_t中，並拷貝到用戶空間，我們可以來看一下libcobalt中的句柄sem_t的形式：

struct cobalt_sem_shadow {
    __u32 magic;
    __s32 state_offset;
    xnhandle_t handle;
} shadow_sem;

從上面圖中我們可以看到xnhandlet是一個偏移量，表示這個xnobject基於register_obj_solts的地址偏移，為什麼要直接保存到句柄sem_t中呢？sem_wait()/sem_post()操作進入內核的時候就可以直接去獲取xnobject做相應的操作了。

另外想一下，一個運行在用戶態的實時應用，每次PV操作的時候都需要執行系統調用，對實時系統來說不太友好，畢竟系統調用也是需要花費時間的，xnhandlet只能解決內核里定位xnobject的速度問題，我們能不能不要每次都執行系統調用呢？答案是肯定的，xenomai有相應的機制，請關注後續文章，呵呵~~。

3. 未命名內核對象管理

上面說完了命名內核對象，下面來看未命名內核對象，即非跨進程共享的。

對於沒有name的內核對象，通過xnregistry提供的匿名介面來保存。所謂的匿名保存，key為NULL，具體對象（cobalt_sem）的地址作為value到一個分配的結構體xnobject後，不經hash運算，直接計算xnobject基於某個固定地址的偏移量xnhandle_t，通常xnhandle_t會在用戶空間的對象結構體中保存一份，比如sem_t、pthread_mutex_t等；之後用戶空間對該對象發起系統調用時就可以通過xnhandle_t快速從xnregistry獲取該對象，使用匿名的內核對象有：進程間的互斥量mutex、未命名訊號量sem、條件變數condition variable、事件event、monitor。

同樣以未命名訊號量為例，內核對象cobalt_sem註冊流程如下。

4. xnregistry初始化流程

圖中resitry_obj_slots[]其大小內核構建時CONFIG_XENO_OPT_REGISTRY_NRSLOTS指定，默認大小512，具體記憶體在xenomai初始化時調用xnregistry_init()初始化xnregistry時分配。

static int __init xenomai_init(void)
    ->sys_init()
    	->xnregistry_init()

xnregistry_init()具體流程如下。

int xnregistry_init(void)
{
	int n, ret __maybe_unused;

	registry_obj_slots = kmalloc(CONFIG_XENO_OPT_REGISTRY_NRSLOTS *
				     sizeof(struct xnobject), GFP_KERNEL);
	.....
#ifdef CONFIG_XENO_OPT_VFILE
	ret = xnvfile_init_dir("registry", &registry_vfroot, &cobalt_vfroot);
	ret = xnvfile_init_regular("usage", &usage_vfile, &registry_vfroot);
 	proc_apc = xnapc_alloc("registry_export", &registry_proc_schedule, NULL);
#endif /* CONFIG_XENO_OPT_VFILE */
	next_object_stamp = 0;

	for (n = 0; n < CONFIG_XENO_OPT_REGISTRY_NRSLOTS; n++) {
		registry_obj_slots[n].objaddr = NULL;
		list_add_tail(&registry_obj_slots[n].link,
                      &free_object_list);
	}
	/* Slot #0 is reserved/invalid. */
	list_get_entry(&free_object_list, struct xnobject, link);
	nr_active_objects = 1;

	nr_object_entries = xnregistry_hash_size();
	object_index = kmalloc(sizeof(*object_index) *
				      nr_object_entries, GFP_KERNEL);
    
	for (n = 0; n < nr_object_entries; n++)
		INIT_HLIST_HEAD(&object_index[n]);
    
	xnsynch_init(&register_synch, XNSYNCH_FIFO, NULL);
	return 0;
}

1.先分配CONFIG_XENO_OPT_REGISTRY_NRSLOTS個xnobject的空間，xenomai運行過程中的xnobject從registry_obj_slots中直接獲取，這樣就避免頻繁的記憶體申請影響實時性。struct xnobject結構如下：

struct xnobject {
	void *objaddr;
	const char *key;	  /* !< Hash key. May be NULL if anonynous. */
	unsigned long cstamp;		  /* !< Creation stamp. */
#ifdef CONFIG_XENO_OPT_VFILE
	struct xnpnode *pnode;	/* !< v-file information class. */
	union {
		struct {
			struct xnvfile_rev_tag tag;
			struct xnvfile_snapshot file;
		} vfsnap; /* !< virtual snapshot file. */
		struct xnvfile_regular vfreg; /* !< virtual regular file */
		struct xnvfile_link link;     /* !< virtual link. */
	} vfile_u;
	struct xnvfile *vfilp;
#endif /* CONFIG_XENO_OPT_VFILE */
	struct hlist_node hlink; /* !< Link in h-table */
	struct list_head link;
};

objaddr指向具體的內核對象，如cobalt_sem、cobalt_mutex等。

*key 對象的name或label，用戶程式可使用name來操作內核對象，具有name的內核對象會保存到一個hash表中，方便通過name查找。如果key為NULL，則不用。

vfilp、vfile_u、pnode 註冊到linux虛擬文件系統常用變數。

hlink用於加入hash鏈表。

link 該對象如果未使用則用於加入空閑鏈表free_object_list，否則用於加入已使用鏈表busy_object_list。

在linux虛擬文件系統proc目錄下創建registry目錄，以及文件usage，註冊後可通過/proc/xenomai/registry/usage查看xnobject的使用情況。

$ cat /proc/xenomai/registry/usage 
7/512

將剛分配的空閑xnobject插入free_object_list鏈表。
將free_object_list的第一個xnobject節點保留，記錄xnobject已使用數nr_active_objects。
分配散列表object_index[]的空間，並初始化。
初始化registry資源同步對象register_synch,register_synch

5. xnregistry總結

xnregistry：保存內核對象，提供內核對象存儲和快速檢索。

xnsynch：資源抽象，提供執行緒與資源的同步互斥管理機制。

xnsynch、xnregistry是xenomai內核機制非常重要的組件，明白他們xenomai的資源管理機制就明白大半了。

Tags: xenomai 同步與互斥