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
#include
#include
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:1005.2、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
#include
-#include
+#include
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]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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更多技术与解决方案介绍，请访问阿里云AIoT首页https://iot.aliyun.com/