1、前言
近些年，大量的智能設備已經進入人們的生活， 如智能音箱，各種支付設備，大街小巷上各種大小的廣告機等，這些設備中大多還是采用Linux，帶屏的設備則大多采用Android，導致他們必須采用較高成本的硬體，
AliOS Things是阿里云IoT研發的應用于物聯網智能設備的嵌入式實時作業系統，是HaaS100搭載的作業系統，目前AliOS Things + 小程式框架已經可以替代Linux甚至Android，大大降低設備的成本，可是Linux（包括Android）上的成熟穩定的框架，尤其是音視頻處理的框架，圖形渲染等，如果可以拿來使用，再加以適配優化，不需要重復造輪子，豈不美哉，
那如何把Unix/Linux這些優秀的框架輕松地移植到AliOS Things上呢？支持POSIX就是實作這個目標的一把利器，
2、POSIX是什么
POSIX（Portable Operating System Interface）是IEEE組織為了維護應用在不同作業系統之間的兼容性而制定的標準， 主要包括API，Shell和Utility等一整套應用運行環境，廣泛應用于UNIX/LINUX作業系統，和一些嵌入式作業系統中（如Zephyr, VxWorks, QNX, Fuchsia，FreeRTOS，RT-Thread，AliOS Things），
POSIX標準也被稱為IEEE 1003，ISO/IEC 9945，目前標準的開發者是Austin Group，它是IEEE, Open Group, ISO/IEC的聯合組織，目前POSIX標準的最新版本是POSIX.1-2017， 剛開始時POSIX標準（IEEE 1003）又分為不同的子集，其中還處于有效狀態的有IEEE 1003.13， IEEE 1003.13是針對嵌入式領域制定的標準，根據范圍的大小又分為4個不同的Profile，PSE51, PSE52, PSE53和PSE54，其關系如下圖，
3、為什么需要POSIX
AliOS Things作為一個物聯網領域的嵌入式實時作業系統為什么要支持POSIX標準呢？除了解決前言引入的問題外，還有沒有其他的目的呢？本章節將進行一個全面的闡述，
3.1、POSIX解決的核心問題
軟體生態
軟體生態是一個OS的生存核心，但建設一個OS的軟體生態又不能急于求成， 需要經過多年的積累沉淀， 顯然AliOS Things的生態還不成熟，而Linux的生態則經過了幾十年的沉淀，變得非常強大，支持POSIX則可以
- 兼容Unix/Linux軟體生態，
- 兼容支持POSIX標準的嵌入式系統（如FreeRTOS）的軟體生態，
標準
- API模型由國際權威組織定義，且被廣泛使用驗證過，成熟穩定，
易用
- API被廣大開發者所熟悉，降低開發者學習成本，
- 每個API都有標準化的檔案詳細說明，方便查詢使用，
- 為AliOS Things內部組件提供標準介面，方便使用和支持多平臺如移植到Linux，
3.2、其它支持POSIX標準的作業系統
其實不只有我們這么想，讓我們一起看看業界的嵌入式實時作業系統是否支持POSIX標準，
VxWorks
作為比較老牌的嵌入式實時作業系統，VxWorks被廣泛應用于多個領域，如航空航天，工業控制等對實時性要求很高的領域， 它也是非常重視對POSIX標準的支持，其全部支持了PSE52標準 + BSD Socket，并通過官方的PSE52認證，
QNX
作為被廣泛應用于汽車領域的嵌入式實時作業系統，同時也是比較成功的商用微內核作業系統，QNX也是比較重視對POSIX標準的支持，其全部支持了PSE52標準 + BSD Socket，
Fuchsia
作為Google全新設計研發的微內核作業系統， Fuchsia也是支持POSIX標準的，
FreeRTOS
FreeRTOS雖然主要應用于資源比較受限的MCU設備， 其也實作部分PSE52范圍內的API，
RT-Thread
RT-Thread主要應用于物聯網領域的智能設備， 其也比較重視對POSIX標準的支持，實作PSE52范圍內的大部分API，
AliOS Things支持POSIX的長遠目標是實作POSIX.1的最新版本，如目前是POSIX.1-2017，它共有1191個API，數量是非常大的，但是有很多并不是經常使用的API，因此短期目標是實作PSE52 + Networking標準的API + 專案中需要的API，
4、POSIX的設計與實作
POSIX作為內核與應用的介面層， 涉及到內核的多個方面， 下面僅以POSIX執行緒和POSIX條件變數為例介紹其設計與實作，POSIX組件的代碼位于core/osal/posix/, 頭檔案位于include/posix/，
4.1、POSIX執行緒
關鍵資料結構
typedef struct _pthread_tcb {
unsigned int magic;
pthread_attr_t attr;
ktask_t *tid;
void *(*thread_entry)(void *para);
void *thread_para;
ksem_t *join_sem;
unsigned char cancel_state;
volatile unsigned char cancel_type;
volatile unsigned char canceled;
_pthread_cleanup_t *cleanup;
_pthread_environ_t *environ;
void **tls;
void *return_value;
} _pthread_tcb_t;_pthread_tcb_t是POSIX執行緒內部的核心資料結構，保存著POSIX執行緒的關鍵資料，與內核task的tcb結構相對應，且通過tid相互關聯，POSIX執行緒的關鍵資料型別pthread_t會關聯到這個資料結構上，
- magic 是POSIX執行緒的魔術字，以區別于使用AliOS Things原生的AOS API創建的執行緒，
- attr 執行緒屬性，為POSIX執行緒設定屬性以更細粒度地控制執行緒的行為，如執行緒的堆疊地址，堆疊大小，執行緒的調度策略，調度引數等，
- tid 指向內核task的tcb結構，
- thread_entry 新創建執行緒的執行入口函式的指標，
- thread_para 新創建執行緒的執行入口函式的引數結構指標，
- join_sem 實作執行緒的JOINABLE的信號量，執行緒退出時自身不釋放ptcb資源，由其他執行緒呼叫pthread_join獲取回傳值，并釋放資源，
- cancel_state/cancel_type/canceled 分別表示POSIX執行緒取消狀態（是否使能取消），取消型別（延遲取消、立馬取消），是否取消，目前POSIX執行緒的取消功能暫未實作，
- cleanup 執行緒在退出時要執行的清理函式指標的鏈表，
- tls 存放執行緒私有資料，
- return_value 存放POSIX執行緒的回傳值的指標，
POSIX執行緒的創建與銷毀
使用pthread_create創建POSIX執行緒，
使用pthread_exit銷毀一個POSIX執行緒， 或者從一個執行緒的入口函式回傳，也會走到執行緒的銷毀流程，
下面流程圖為保持邏輯清晰，略去了很多實作細節如例外處理等，
4.2、POSIX條件變數
POSIX條件變數的標準定義：https://pubs.opengroup.org/onlinepubs/9699919799/
關鍵資料結構
typedef struct pthread_cond {
kmutex_t *lock;
int waiting;
int signals;
ksem_t *wait_sem;
ksem_t *wait_done;
pthread_condattr_t attr;
} pthread_cond_t;pthread_cond_t是實作POSIX條件變數的核心資料結構，
- lock 是保護內部資料的一把mutex鎖，
- waiting 等待這個條件變數的執行緒數，
- signals 已發送信號還未收到確認的數目，
- wait_sem 執行緒等待的信號量，底層內核的信號量原語，
- wait_done 用于發送執行緒與等待執行緒之間握手確認的信號量， 底層內核的信號量原語，
- attr 記錄pthread條件變數的屬性，比如條件變數用到的時鐘clock，
POSIX條件變數的處理
POSIX 條件變數不僅支持觸發單個等待的執行緒，同時還支持廣播（pthread_cond_broadcast），觸發多個等待的執行緒，
4.3、AliOS Things上POSIX介面實作
AliOS Things 支持了pthread，semaphore, message queue, timer, fs等多個模塊的豐富的API，開發者可以利用這些POSIX API，只需要簡單地修改，甚至無需修改，就可以移植Unix/Linux的應用到AliOS Things上，再結合HaaS100的開發板，開發者可以更快速地構建智能設備所需的軟體和硬體，
5、動手試試
5.1、寫一個Linux下基于POSIX介面的應用
下面動手撰寫一個簡單的使用POSIX PTHREAD API的Linux應用，保存為pthread_test.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
static volatile int count = 1;
pthread_mutex_t count_lock;
void* increase_count(void *arg)
{
while (1) {
sleep(1);
pthread_mutex_lock(&count_lock);
count += 10;
printf("In new thread: count:%d\n", count);
pthread_mutex_unlock(&count_lock);
}
}
int main(int argc, char* argv[])
{
int ret = 0;
pthread_t new_thread;
pthread_mutex_init(&count_lock, NULL);
ret = pthread_create(&new_thread, NULL, increase_count, NULL);
if (ret != 0) {
printf("Error:%s:%d:ret:%d\n", __FILE__, __LINE__, ret);
return -1;
}
while(1) {
sleep(1);
pthread_mutex_lock(&count_lock);
count++;
printf("In main thread: count:%d\n", count);
pthread_mutex_unlock(&count_lock);
}
return 0;
}在Linux上編譯
gcc pthread_test.c -o pthread_test -lpthread運行結果如下：
$ ./pthread_test
In main thread: count:2
In new thread: count:12
In main thread: count:13
In new thread: count:23
In main thread: count:24
In new thread: count:34
In main thread: count:35
In new thread: count:45
In main thread: count:46
In new thread: count:56
In main thread: count:57
In new thread: count:67
In main thread: count:68
In new thread: count:78
In main thread: count:79
In new thread: count:89
In main thread: count:90
In new thread: count:1005.2、移植到AliOS Things上
把上面的pthread_test.c 移植到AliOS Things上，改寫application/example/helloworld_demo 這個demo應用， 把pthread_test.c 的內容替換application/example/helloworld_demo/appdemo.c的全部內容，并做如下2個簡單的修改，
$ diff -ru ~/app/pthread_test.c ~/project/gitee/AliOS-Things/AliOS-Things/application/example/helloworld_demo/appdemo.c
--- ~/app/pthread_test.c 2020-12-10 23:02:56.915084914 +0800
+++ ~/project/gitee/AliOS-Things/AliOS-Things/application/example/helloworld_demo/appdemo.c 2020-12-10 23:06:10.616376591 +0800
@@ -1,6 +1,6 @@
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
-#include <pthread.h>
+#include <posix/pthread.h>
static volatile int count = 1;
pthread_mutex_t count_lock;
@@ -17,7 +17,7 @@
}
-int main(int argc, char* argv[])
+int application_start(int argc, char* argv[])
{
int ret = 0;
pthread_t new_thread;由上可知，AliOS Things的應用入口是application_start， 不是main， AliOS Things上的posix頭檔案在posix目錄下，如posix/pthread.h，
編譯helloworld_demo
aos make helloworld_demo@haas100 -c config
aos make下載燒錄并啟動，log如下， 與Linux運行的結果一致，
Welcome to AliOS Things
1592/main_task | sys_init aos_components_init done
1592/main_task | mesh has been opened
1986/mcu_audio | mcu_audio_main exit
[Jan 01 00:00:01.491]<I>ULOG-test sys_init aos_components_init done
In main thread: count:2
In new thread: count:12
In main thread: count:13
In new thread: count:23
In main thread: count:24
In new thread: count:34
In main thread: count:35
In new thread: count:45
In main thread: count:46
In new thread: count:56
In main thread: count:57
In new thread: count:67
In main thread: count:68
In new thread: count:78
In main thread: count:79
In new thread: count:89
In main thread: count:90
In new thread: count:100移植Linux下應用到AliOS Things之下是不是很簡單，一起來試試吧，
6、參考鏈接
POSIX.1-2017
AliOS Things物聯網作業系統
7、開發者技術支持
如需更多技術支持，可加入釘釘開發者群
更多技術與解決方案介紹，請訪問阿里云AIoT首頁https://iot.aliyun.com/
轉載請註明出處，本文鏈接：https://www.uj5u.com/qita/236117.html
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