如何轻松地移植Linux应用到AliOS Things上

1、前言

近些年，大量的智能设备已经进入人们的生活，如智能音箱，各种支付设备，大街小巷上各种大小的广告机等。这些设备中大多还是采用Linux，带屏的设备则大多采用Android，导致他们必须采用较高成本的硬件。

AliOS Things是阿里云IoT研发的应用于物联网智能设备的嵌入式实时操作系统，是HaaS100搭载的操作系统。目前AliOS Things + 小程序框架已经可以替代Linux甚至Android，大大降低设备的成本。可是Linux（包括Android）上的成熟稳定的框架，尤其是音视频处理的框架，图形渲染等，如果可以拿来使用，再加以适配优化，不需要重复造轮子，岂不美哉。

那如何把Unix/Linux这些优秀的框架轻松地移植到AliOS Things上呢？支持POSIX就是实现这个目标的一把利器。

2、POSIX是什么

POSIX（Portable Operating System Interface）是IEEE组织为了维护应用在不同操作系统之间的兼容性而制定的标准。主要包括API，Shell和Utility等一整套应用运行环境。广泛应用于UNIX/LINUX操作系统，和一些嵌入式操作系统中（如Zephyr, VxWorks, QNX, Fuchsia，FreeRTOS，RT-Thread，AliOS Things）。

POSIX标准也被称为IEEE 1003，ISO/IEC 9945，目前标准的开发者是Austin Group，它是IEEE, Open Group, ISO/IEC的联合组织，目前POSIX标准的最新版本是POSIX.1-2017。刚开始时POSIX标准（IEEE 1003）又分为不同的子集，其中还处于有效状态的有IEEE 1003.13。 IEEE 1003.13是针对嵌入式领域制定的标准，根据范围的大小又分为4个不同的Profile，PSE51, PSE52, PSE53和PSE54，其关系如下图。

3、为什么需要POSIX

AliOS Things作为一个物联网领域的嵌入式实时操作系统为什么要支持POSIX标准呢？除了解决前言引入的问题外，还有没有其他的目的呢？本章节将进行一个全面的阐述。

3.1、POSIX解决的核心问题

软件生态

软件生态是一个OS的生存核心，但建设一个OS的软件生态又不能急于求成，需要经过多年的积累沉淀。显然AliOS Things的生态还不成熟，而Linux的生态则经过了几十年的沉淀，变得非常强大。支持POSIX则可以

兼容Unix/Linux软件生态。
兼容支持POSIX标准的嵌入式系统（如FreeRTOS）的软件生态。

标准

API模型由国际权威组织定义，且被广泛使用验证过，成熟稳定。

易用

API被广大开发者所熟悉，降低开发者学习成本。
每个API都有标准化的文档详细说明，方便查询使用。
为AliOS Things内部组件提供标准接口，方便使用和支持多平台如移植到Linux。

3.2、其它支持POSIX标准的操作系统

其实不只有我们这么想，让我们一起看看业界的嵌入式实时操作系统是否支持POSIX标准。

VxWorks

作为比较老牌的嵌入式实时操作系统，VxWorks被广泛应用于多个领域，如航空航天，工业控制等对实时性要求很高的领域，它也是非常重视对POSIX标准的支持，其全部支持了PSE52标准 + BSD Socket。并通过官方的PSE52认证。

QNX

作为被广泛应用于汽车领域的嵌入式实时操作系统，同时也是比较成功的商用微内核操作系统，QNX也是比较重视对POSIX标准的支持，其全部支持了PSE52标准 + BSD Socket。

Fuchsia

作为Google全新设计研发的微内核操作系统， Fuchsia也是支持POSIX标准的。

FreeRTOS

FreeRTOS虽然主要应用于资源比较受限的MCU设备，其也实现部分PSE52范围内的API。

RT-Thread

RT-Thread主要应用于物联网领域的智能设备，其也比较重视对POSIX标准的支持，实现PSE52范围内的大部分API。

AliOS Things支持POSIX的长远目标是实现POSIX.1的最新版本，如目前是POSIX.1-2017，它共有1191个API，数量是非常大的，但是有很多并不是经常使用的API，因此短期目标是实现PSE52 + Networking标准的API + 项目中需要的API。

4、POSIX的设计与实现

POSIX作为内核与应用的接口层，涉及到内核的多个方面。下面仅以POSIX线程和POSIX条件变量为例介绍其设计与实现，POSIX组件的代码位于core/osal/posix/, 头文件位于include/posix/。

4.1、POSIX线程

关键数据结构

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线程内部的核心数据结构，保存着POSIX线程的关键数据，与内核task的tcb结构相对应，且通过tid相互关联。POSIX线程的关键数据类型pthread_t会关联到这个数据结构上。

magic 是POSIX线程的魔术字，以区别于使用AliOS Things原生的AOS API创建的线程。
attr 线程属性，为POSIX线程设置属性以更细粒度地控制线程的行为。如线程的栈地址，栈大小，线程的调度策略，调度参数等。
tid 指向内核task的tcb结构。
thread_entry 新创建线程的执行入口函数的指针。
thread_para 新创建线程的执行入口函数的参数结构指针。
join_sem 实现线程的JOINABLE的信号量，线程退出时自身不释放ptcb资源，由其他线程调用pthread_join获取返回值，并释放资源。
cancel_state/cancel_type/canceled 分别表示POSIX线程取消状态（是否使能取消），取消类型（延迟取消、立马取消），是否取消。目前POSIX线程的取消功能暂未实现。
cleanup 线程在退出时要执行的清理函数指针的链表。
tls 存放线程私有数据。
return_value 存放POSIX线程的返回值的指针。

POSIX线程的创建与销毁

使用pthread_create创建POSIX线程。

使用pthread_exit销毁一个POSIX线程，或者从一个线程的入口函数返回，也会走到线程的销毁流程。

下面流程图为保持逻辑清晰，略去了很多实现细节如异常处理等。

4.2、POSIX条件变量

POSIX条件变量的标准定义：https://pubs.opengroup.org/onlinepubs/9699919799/

关键数据结构

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是实现POSIX条件变量的核心数据结构。

lock 是保护内部数据的一把mutex锁。
waiting 等待这个条件变量的线程数。
signals 已发送信号还未收到确认的数目。
wait_sem 线程等待的信号量，底层内核的信号量原语。
wait_done 用于发送线程与等待线程之间握手确认的信号量，底层内核的信号量原语。
attr 记录pthread条件变量的属性，比如条件变量用到的时钟clock。

POSIX条件变量的处理

POSIX 条件变量不仅支持触发单个等待的线程，同时还支持广播（pthread_cond_broadcast），触发多个等待的线程。

4.3、AliOS Things上POSIX接口实现

AliOS Things 支持了pthread，semaphore, message queue, timer, fs等多个模块的丰富的API，开发者可以利用这些POSIX API，只需要简单地修改，甚至无需修改，就可以移植Unix/Linux的应用到AliOS Things上。再结合HaaS100的开发板，开发者可以更快速地构建智能设备所需的软件和硬件。

5、动手试试

5.1、写一个Linux下基于POSIX接口的应用

下面动手编写一个简单的使用POSIX PTHREAD API的Linux应用，保存为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上编译

gcc pthread_test.c -o pthread_test -lpthread

运行结果如下：

$ ./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:100

5.2、移植到AliOS Things上

把上面的pthread_test.c 移植到AliOS Things上，改写application/example/helloworld_demo 这个demo应用。把pthread_test.c 的内容替换application/example/helloworld_demo/appdemo.c的全部内容，并做如下2个简单的修改。

$ 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的应用入口是application_start，不是main。 AliOS Things上的posix头文件在posix目录下，如posix/pthread.h。

编译helloworld_demo

aos make helloworld_demo@haas100 -c config
aos make

下载烧录并启动，log如下，与Linux运行的结果一致。

             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下应用到AliOS Things之下是不是很简单，一起来试试吧。

6、参考链接

POSIX.1-2017

AliOS Things物联网操作系统

7、开发者技术支持

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