SylixOS 经得起检验的国产操作系统 （七）
本篇介绍“进程模型”、“内核模块与动态链接库”以及“C++支持”。官网：http://www.sylixos.com。
进程模型
SylixOS在版本1.0.0时引入了进程概念，成为全世界少数几个支持进程的实时操作系统之一。在以往的嵌入式系统中大多数系统不存在MMU，CPU性能也很低，所以根本没有引入进程的必要性，只需要一个多线程操作系统就可以工作的非常好，可是时过境迁，如今的嵌入式处理器性能普遍较高，而且都含有完整的MMU，这使得嵌入式系统在能接受的复杂度下支持多进程成为可能。
由于应用场合与PC大为不同，所以面向工业领域的嵌入式系统大多数为实时操作系统，所以为了实现实时性特点，SylixOS引入的进程类似于VxWorks6.0之后的RTP进程与uClinux的进程，也就是说SylixOS内所有进程共享一个地址空间，只是在动态链接的时候进行代码和数据的重定向，那么进程调度时就不需要切换庞大的页表，这样进程的切换时间就符合实时系统对时间确定性的要求。SylixOS进程实际上是一个资源的容器，这个容器中包含代码段，数据段，文件描述符，内核对象，posix 对象，C库和众多支持的动态链接库，这些库和应用程序共享一个进程容器，进程容器间彼此隔离，那么在使用起来和linux上的标准进程也就没有任何区别了。
进程标准
SylixOS支持POSIX除fork以外的所有进程API，因为没有fork，所以SylixOS创建进程可以使用ISO C规定的spawn系列函数（头文件为process.h）。同时SylixOS支持POSIX1003.1b规定的实时进程标准，这些函数在
进程资源回收
SylixOS进程分为三种类型，它们分别是：正常进程、孤儿进程、僵尸进程。正常进程是指存在父亲进程且本进程与父进程都在运行的进程。孤儿进程是指父进程先于当前子进程结束，当前子进程还在运行的进程。僵尸进程是指子进程已经结束，正在等待父进程回收自己的资源，可是父进程退出时没有回收子进程资源。
对于正常进程，在结束时需要父进程调用wait或者waitpid来回收自己的资源，那么资源的回收将在父进程中进行。
对于孤儿进程，SylixOS内核线程t_reclaim将接管这个进程，该进程结束时，t_reclaim将回收这个进程的所有资源，t_reclaim内核线程类似于Linux系统的init进程。
对于僵尸进程，由于父进程没有调用wait或者waitpid回收子进程就直接退出，这时操作系统t_reclaim内核线程将会自动接管该进程的所有子进程，同时回收该进程所有已经退出但没有回收资源的子进程的资源。这种算法可以使SylixOS尽可能的减少僵尸进程对系统资源的浪费。
进程间通信
SylixOS提供了较为丰富的进程间通信方法，分为异步通信和同步通信。其中同步通信都是采用文件方式，这些文件都存在于内核内存中。
进程间异步通信可以直接使用操作系统提供的信号接口，通过kill或者sigqueue系统调用发送指定的信号给接收进程。
进程间同步通信方式比较多，他们包括：
1. POSIX命名信号量
2. POSIX命名消息队列
3. 命名或匿名管道
4. socket套接字管道
5. 共享内存
注意：POSIX命名对象是虚拟存在的，它并不对应操作系统I/O空间内的实体文件，所以，在操作系统I/O空间内并不显示，用户可以通过查询/proc/posix/pnamed文件来获取操作系统中所有POSIX命名对象的信息。
POSIX命名信号量：多个进程可以通过sem_open创建或者打开拥有同样名称的命名信号量，用此信号量进行同步通信。
POSIX命名消息队列：多个进程可以通过mq_open创建或者打开拥有同样名称的命名消息队列，用此消息队列进行同步通信。需要说明的是SylixOS支持的POSIX消息队列拥有32个消息优先级，消息根据优先级在消息队列内排序，优先级越高的消息最先被接收。下图为进程间使用消息队列通信示意图。
命名或匿名管道：命名管道通过mkfifo来创建，其它进程可以打开这个管道进行进程间通信。匿名管道通过pipe创建，pipe将返回两个文件描述符，一个是读端，另一个是写端，子进程可以通过继承父进程的描述符，也可通过POSIX实时进程提供的file_action参数传递文件描述符进行进程间通信。下图为进程间使用管道通信示意图。
如果进程间需要双向通信，则可以建立两条管道，如下图所示。
socket套接字管道：多个进程间可以使用AF_UNIX协议域进行通信，需要说明的是socket套接字管道不同于标准命名或匿名的单向数据流管道，socket套接字管道不同于普通的单向数据流管道，它是双向全双工管道。当然用户也可以通过TCP/IP的127.0.0.1回环地址进行通信。下图为进程间使用socket管道通信示意图。
共享内存：SylixOS提供专用的共享内存设备/dev/shm，此设备为虚拟设备，它不同于Linux上的tmpfs文件系统，SylixOS的共享内存设备只为了共享内存服务。换句话说所有对该设备的内存映射操作，虽然返回的虚拟地址不同，但是物理地址是相同的。应用程序可在此设备上创建虚拟文件并设置虚拟文件的大小，不同的进程可使用mmap函数映射相关的文件内存实现进程间内存的共享。下图为进程间使用共享内存通信示意图。
内核模块与动态链接库
SylixOS支持内核模块与动态链接库概念，SylixOS的内核模块与Linux内核模块概念和功能基本相同，加入内核的内核模块，实际上就是内核的一部分，一般利用内核模块实现一些基本的内核服务，例如USB和PCI的总线抽象层；一些外设的驱动程序；额外要支持的文件系统等等。
SylixOS内核可以编译成只带有少数驱动的镜像，然后根据运行硬件的不同，加入不同的内核模块（包含对应的硬件驱动程序）。SylixOS内核模块与Linux格式相同，内核模块文件名一般为*.ko。内核模块一般放置于/lib/modules目录下，设备驱动则一般放在/lib/modules/drivers目录下。
SylixOS支持应用程序动态链接库功能，一个进程内可以加入无限制数量的动态链接库，他们可以由操作系统自动加入也可以由用户代码手动加入。
自动加入动态库：开发应用程序时，在链接阶段通过链接命令指定进程运行时依赖的动态链接库，并把相应的动态库放在环境变量LD_LIBRARY_PATH指定的目录中，这样进程启动时SylixOS会自动装载依赖的动态链接库到指定的进程空间中。
手动加入动态链接库：进程在运行时可以使用POSIX提供的动态链接库功能手动的装载动态链接库。这些API在头文件dlfcn.h中声明，它们分别是：dlclose、dlerror、dlopen、dlsym、dladdr。其中dladdr不是标准的POSIX函数，dladdr提供从地址获取近似符号的功能。
提示：进程崩溃时（收到SIGSEGV等崩溃信号）相关信号句柄可以通过execinfo函数获取到当前的调用栈信息。然后通过dladdr来分析调用栈中的函数名称，这样有利于分析应用程序的BUG。
SylixOS动态链接库的格式也与Linux相同，动态链接库的文件名一般为*.so。如果存在一个动态库多个版本的情况，可以采取Linux对动态库版本的命名方法进行区分，同时建立一个符号链接文件指明当前默认使用的动态链接库。
C++支持
SylixOS内核提供了一个小型的C++运行时环境，内核支持运行基本的C++程序，这些程序不能带有异常处理（exception）和运行时类型识别（rtti）。因为相关的操作需要完整的C++运行时支持。
内核中的C++程序分为两种：
1. 随SylixOS内核一起编译的C++程序
2. SylixOS装载含有C++程序的内核模块
对于随SylixOS内核一起编译的C++程序，系统将会引出四个符号：
__LW_CTOR_LIST__
__LW_CTOR_END__
__LW_DTOR_LIST__
__LW_DTOR_END__
这四个符号需要在SylixOS链接脚本中放在指定的位置，用他们来指明内核C++程序的全局构造函数表和全局析构函数表。SylixOS在启动时会运行相关的C++全局构造函数表，SylixOS在结束时也会运行相应的全局析构函数表。全局构造与析构函数表如下图所示。
对应的连接脚本范例如下所示。
| .ctors : { KEEP (*cppRtBegin*.o(.ctors)) KEEP (*(.preinit_array)) KEEP (*(.init_array)) KEEP (*(SORT(.ctors.*))) KEEP (*(.ctors)) KEEP (*cppRtEnd*.o(.ctors)) } .dtors : { KEEP (*cppRtBegin*.o(.dtors)) KEEP (*(.fini_array)) KEEP (*(SORT(.dtors.*))) KEEP (*(.dtors)) KEEP (*cppRtEnd*.o(.dtors)) } |
相关的文档见SylixOS doc目录的CPLUSPLUS文件。
SylixOS装载含有C++程序的内核模块：SylixOS装载器会自动的识别全局构造函数和析构函数表，然后在适当的时机运行。
应用程序中如果使用C++程序则完全没有内核中使用的诸多限制，因为C++程序可以链接编译器提供的标准stdc++库，这个库和SylixOS内部的C++基础库同时构成完整的C++运行时库，能够支持异常与运行时类型识别等C++高级特性。
（本篇结束）