鸿蒙轻内核源码分析系列一 前言

1 鸿蒙轻内核概述

鸿蒙轻内核是基于面向IoT领域构建的Huawei LiteOS轻量级物联网操作系统内核演进发展的新一代内核。鸿蒙轻内核提供了小体积、低功耗、高性能、快速互联体验、生态统一开放的系统能力，新增了丰富的内核机制、更加全面的POSIX标准接口以及统一驱动框架HDF（OpenHarmony Driver Foundation）等，为设备厂商提供了更统一的接入方式，为OpenHarmony的应用开发者提供了更友好的开发体验。

鸿蒙轻内核具有如下五大优势：

• 小体积：内核组件轻量化设计，可根据业务需求，在128K到512M灵活配置伸缩。

• 低功耗：低功耗超长待机（Tickless、Run-Stop智能休眠技术），典型场景下功耗从mA降到uA级。

• 高性能：快速启动系统，百ms级冷启动抓拍到图像。

• 快速互联体验：提供分布式软总线、分布式设备安全连接基础互联协议，方便生态设备接入。

• 统一开放生态：兼容三方库和生态圈，兼容CMSIS、POSIX接口，三方库可平滑移植；提供统一的设备驱动框架HDF，方便外设Sensor、器件等驱动开发集成；提供可视化集成开发工具（IDE），实现一站式产品集成、应用开发。

2 鸿蒙轻内核开源介绍

OpenHarmony是开放原子开源基金会（OpenAtom Foundation）旗下开源项目，定位是一款面向全场景的开源分布式操作系统。开源站点是https://gitee.com/openharmony。

本源码分析专题系列，计划对OpenHarmony的轻量系统、小型系统的内核源码进行详细的分析，帮助开发者更好的理解内核运行机制，更好的掌握内核开发。分析时所涉及的源码，均可以在开源站点获取: 轻量系统 kernel_liteos_m代码仓 、小型系统 kernel_liteos_a代码仓。为了更容易找到鸿蒙轻内核代码仓，建议关注Watch、收藏点赞Star、并Fork到自己账户下。有任何问题、建议，都可以留言给我们，欢迎反馈问题、贡献代码。

3 鸿蒙轻内核源码分析系列大纲

鸿蒙轻内核源码分析系列，首先会盘点下重要的数据结构，包含双向链表、就绪队列、排序链表等。会结合数据结构相关绘图，剖析下据结构及其操作的源代码，帮助更好的学习和理解这些数据结构的用法。分析完数据结构，会给后续源码分析奠定基础，接下来会分析中断模块、时间管理模块的源代码。然后分析操作系统非常重要的任务模块、任务调度模块。分析完毕任务和调度模块后，会分析负责任务间通信的互斥锁、信号量、消息队列模块。最后是软件定时器和内存管理模块。

建议开发者，结合源码分析系列的讲解，参考官方示例程序代码，动手写写程序，实际编译运行一下，看到运行效果，加深对鸿蒙轻内核的理解。

3.1 数据结构-双向链表

双向链表Doubly Linked List是鸿蒙轻内核最重要的数据结构之一，在各个模块有着非常广泛的使用。双向链表是指含有往前和往后两个方向的链表，每个结点中存放下一个节点指针，和一个指向前一个节点的指针。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，这种数据结构形式能方便地完成查找、插入、删除等操作。通过分析双向链接提供的接口源代码，深入掌握双向链表的使用，在分析内核其他模块源代码时，更加容易理解。开发者开发自己的用户程序时，也可以灵活的使用双向链表。

3.2 数据结构-就绪队列

在鸿蒙轻内核任务调度模块，就绪队列是个重要的数据结构，能够高效、方便的支持任务基于优先级进行调度。任务创建后，状态设置为就绪态，并放入就绪队列。在实现上，就绪队列是一个双向循环链表数组，每个数组元素就是一个对应任务优先级的链表，相同优先级的任务放入同一个链表。任务就绪队列Priority Queue主要供内核模块内部使用，用户进行业务开发时不涉及，所以并未对外提供接口。通过分析就绪队列数据结构及其操作接口源代码，可以更容易学习、掌握任务接口、任务调度模块。

3.3 数据结构-排序链表

鸿蒙轻内核的任务排序链表，用于任务延迟到期/超时唤醒等业务场景，是一个非常重要、非常基础的数据结构。任务排序链表是一个环状的双向链表数组，双向链表的头结点，指向双向链表数组的第一个元素，维护游标信息，记录当前的位置信息。每过一个Tick，游标指向数组下一个位置。数组元素是个双向链表，链表节点维护索引和滚动数信息。当运行到的数组位置挂载的双向链表不为空时，则把第一个节点维护的滚动数减1。这样的数据结构类似钟表表盘，也称为时间轮。掌握排序链表这一重要的数据结构，会给进一步学习、分析源代码奠定基础，让后续的学习更加容易。

3.4 中断管理

中断是指出现需要时，CPU暂停执行当前程序，转而执行新程序的过程。当外设需要CPU时，将通过产生中断信号使CPU立即中断当前任务来响应中断请求。通过中断机制，在外设不需要CPU介入时，CPU可以执行其它任务，而当外设需要CPU时，将通过产生中断信号使CPU立即中断当前任务来响应中断请求。这样可以使CPU避免把大量时间耗费在等待、查询外设状态的操作上，有效提高系统实时性以及执行效率。本小节会掌握中断相关的概念，剖析鸿蒙轻内核的中断模块的中断初始化操作，中断创建、删除，开关中断操作等源代码。

3.5 时间管理

时间管理模块以系统时钟为基础，可以分为两部分，一部分是SysTick中断，为任务调度提供必要的时钟节拍；另外一部分是，给应用程序提供所有和时间有关的服务，如时间转换、统计功能。

系统时钟是由定时器/计数器产生的输出脉冲触发中断产生的，一般定义为整数或长整数。输出脉冲的周期叫做一个“时钟滴答”，也称为时标或者Tick。Tick是操作系统的基本时间单位，由用户配置的每秒Tick数决定。另外一个计时单位是Cycle，这是系统最小的计时单位。Cycle的时长由系统主时钟频率决定，系统主时钟频率就是每秒钟的Cycle数。用户以秒、毫秒为单位计时，而操作系统以Tick为单位计时，当用户需要对系统进行操作时，例如任务挂起、延时等，此时可以使用时间管理模块对Tick和秒/毫秒进行转换。本小节会剖析鸿蒙轻内核的时间管理模块的源代码。

3.6 任务和任务调度

任务是操作系统一个重要的概念，是竞争系统资源的最小运行单元。任务可以使用或等待CPU、使用内存空间等系统资源，并独立于其它任务运行。任务模块可以给用户提供多个任务，实现任务间的切换，帮助用户管理业务程序流程。任务调度也是操作系统的一个重要模块，它负责选择系统要处理的下一个任务。调度模块需要协调处于就绪状态的任务对资源的竞争，按优先级策略从就绪队列中获取高优先级的任务，给予资源使用权。本文我们来一起学习下任务和任务调度模块的源代码，包含任务栈初始化，任务上下文，任务初始化，任务常用操作接口，任务调度函数的源代码。

3.7 互斥锁

多任务环境下会存在多个任务访问同一公共资源的场景，而有些公共资源是非共享的临界资源，只能被独占使用。鸿蒙轻内核使用互斥锁Mutex来避免这种冲突，互斥锁是一种特殊的二值性信号量，用于实现对临界资源的独占式处理。用互斥锁处理临界资源的同步访问时，如果有任务访问该资源，则互斥锁为加锁状态。此时其他任务如果想访问这个临界资源则会被阻塞，直到互斥锁被持有该锁的任务释放后，其他任务才能重新访问该公共资源，此时互斥锁再次上锁，如此可确保同一时刻只有一个任务正在访问这个临界资源，保证了临界资源操作的完整性。本小节会分析下互斥锁模块的源代码。

3.8 信号量

信号量（Semaphore）是一种实现任务间通信的机制，可以实现任务间同步或共享资源的互斥访问。一个信号量的数据结构中，通常有一个计数值，用于对有效资源数的计数，表示剩下的可被使用的共享资源数。本小节通过详细分析信号量模块的源码，帮助更好的掌握信号量的使用。

3.9 队列

队列（Queue）是一种常用于任务间通信的数据结构。任务能够从队列里面读取消息，当队列中的消息为空时，挂起读取任务；当队列中有新消息时，挂起的读取任务被唤醒并处理新消息。任务也能够往队列里写入消息，当队列已经写满消息时，挂起写入任务；当队列中有空闲消息节点时，挂起的写入任务被唤醒并写入消息。如果将读队列和写队列的超时时间设置为0，则不会挂起任务，接口会直接返回，这就是非阻塞模式。消息队列提供了异步处理机制，允许将一个消息放入队列，但不立即处理。同时队列还有缓冲消息的作用。本小节通过分析队列模块的源码，帮助更好的掌握队列的使用。

3.10 事件

事件（Event）是一种任务间通信的机制，可用于任务间的同步。多任务环境下，任务之间往往需要同步操作，一个等待即是一个同步。事件可以提供一对多、多对多的同步操作。本小节通过分析内核事件模块的源码，帮助深入掌握事件的使用。

3.11 定时器

软件定时器（Software Timer）是基于系统Tick时钟中断且由软件来模拟的定时器。当经过设定的Tick数后，会触发用户自定义的回调函数。硬件定时器受硬件的限制，数量上不足以满足用户的实际需求。鸿蒙轻内核提供的软件定时器功能可以提供更多的定时器，满足用户需求。本小节通过分析定时器模块的源码，帮助开发者更好的掌握定时器的使用。

3.12 静态内存

内存管理模块管理系统的内存资源，它是操作系统的核心模块之一，主要包括内存的初始化、分配以及释放。在系统运行过程中，内存管理模块通过对内存的申请/释放来管理用户和OS对内存的使用，使内存的利用率和使用效率达到最优，同时最大限度地解决系统的内存碎片问题。鸿蒙轻内核的内存管理分为静态内存管理和动态内存管理。

静态内存模块，支持在静态内存池中分配用户初始化时预设的固定大小的内存块，分配和释放效率高，静态内存池中无碎片。只能申请到初始化预设大小的内存块，不能按需申请。本小节主要分析静态内存（Memory Box）模块的源代码，帮助开发者更深入的掌握静态内存的使用。

3.13 动态内存

动态内存管理模块主要用于用户需要使用大小不等的内存块的场景。当用户需要使用内存时，可以通过操作系统的动态内存申请函数索取指定大小的内存块，一旦使用完毕，通过动态内存释放函数归还所占用内存，使之可以重复使用。可以按需分配，缺点是内存池可能出现碎片。本小节主要分析动态内存模块的源代码，介绍动态内存分配算法，帮助开发者更深入的掌握动态内存的使用。

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