鸿蒙内核源码分析 (并发并行篇) | 内核如何管理多个 CPU?

理解并发概念

• 并发（Concurrent）: 多个线程在单个核心运行，同一时间只能一个线程运行，内核不停切换线程，看起来像同时运行，实际上是线程被高速的切换.

• 通俗好理解的比喻就是高速单行道，单行道指的是 CPU 的核数，跑的车就是线程 (任务)，进程就是管理车的公司，一个公司可以有很多台车。并发和并行跟 CPU 的核数有关。车道上同时只能跑一辆车，但因为指挥系统很牛，够快，在毫秒级内就能换车跑，人根本感知不到切换。所以外部的感知会是同时在进行，实现了微观上的串行，宏观上的并行.

  线程切换的本质是 CPU 要换场地上班，去哪里上班由哪里提供场地，那个场地就是任务栈，每个任务栈中保存了上班的各种材料，来了就行立马干活。那些材料就是任务上下文。简单的说就是上次活干到那里了，回来继续接着干。上下文由任务栈自己保存，CPU 不管的，它来了只负责任务交过来的材料，材料显示去哪里搬砖它就去哪里搬砖.

  记住一个单词就能记住并行并发的区别， 发单，发单 (并发单行).

  理解并行概念

  并行（Parallel）每个线程分配给独立的 CPU 核心，线程真正的同时运行.

  通俗好理解的比喻就是高速多行道，实现了微观和宏观上同时进行。并行当然是快，人多了干活就不那么累，但干活人多了必然会带来人多的管理问题，会把问题变复杂，请想想会出现哪些问题？

  理解协程概念

  这里说下协程，例如 go 语言是有协程支持的，其实协程跟内核层没有关系，是应用层的概念。是在线程之上更高层的封装，用通俗的比喻来说就是在车内另外搞了几条车道玩。其对内核来说没有新东西，内核只负责车的调度，至于车内你想怎么弄那是应用程序自己的事。本质的区别是 CPU 根本没有换地方上班 (没有被调度)，而并发 / 并行都是换地方上班了.

  内核如何描述 CPU

  Python

      typedef struct {
          SortLinkAttribute taskSortLink;             /* task sort link */ //每个CPU core 都有一个task排序链表
          SortLinkAttribute swtmrSortLink;            /* swtmr sort link */ //每个CPU core 都有一个定时器排序链表
          UINT32 idleTaskID;                          /* idle task id */  //空闲任务ID 见于 OsIdleTaskCreate
          UINT32 taskLockCnt;                         /* task lock flag */ //任务锁的数量，当 > 0 的时候，需要重新调度了
          UINT32 swtmrHandlerQueue;                   /* software timer timeout queue id */ //软时钟超时队列句柄
          UINT32 swtmrTaskID;                         /* software timer task id */ //软时钟任务ID
          UINT32 schedFlag;                           /* pending scheduler flag */ //调度标识 INT_NO_RESCH INT_PEND_RESCH
      #if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES)
          UINT32 excFlag;                             /* cpu halt or exc flag */ //CPU处于停止或运行的标识
      #endif
      } Percpu;
      Percpu g_percpu[LOSCFG_KERNEL_CORE_NUM];//全局CPU数组
  

  这是内核对 CPU 的描述，主要是两个排序链表，一个是任务的排序，一个是定时器的排序。什么意思？在系列篇中多次提过，任务是内核的调度单元，注意可不是进程，虽然调度也需要进程参与，也需要切换进程，切换用户空间。但调度的核心是切换任务，每个任务的代码指令才是 CPU 的粮食，它吃的是一条条的指令。每个任务都必须指定取粮地址 (即入口函数).

  另外还有一个东西能提供入口函数，就是定时任务。很重要也很常用，没它某宝每晚 9 点的准时秒杀实现不了。在内核每个 CPU 都有自己独立的任务和定时器链表.

  每次 Tick 的到来，处理函数会去扫描这两个链表，看有没有定时器超时的任务需要执行，有则立即执行定时任务，定时任务是所有任务中优先级最高的，0 号优先级，在系列篇中有专门讲定时器任务，可自行翻看.

  LOSCFG_KERNEL_SMP

  Python

  # if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES)
  # define LOSCFG_KERNEL_CORE_NUM                          LOSCFG_KERNEL_SMP_CORE_NUM //多核情况下支持的CPU核数
  # else
  # define LOSCFG_KERNEL_CORE_NUM                          1 //单核配置
  # endif
  

  多 CPU 核的操作系统有 3 种处理模式 (SMP+AMP+BMP) 鸿蒙实现的是 SMP 的方式

  • 非对称多处理（Asymmetric multiprocessing，AMP）每个 CPU 内核运行一个独立的操作系统或同一操作系统的独立实例（instantiation）。
  • 对称多处理（Symmetric multiprocessing，SMP）一个操作系统的实例可以同时管理所有 CPU 内核，且应用并不绑定某一个内核。
  • 混合多处理（Bound multiprocessing，BMP）一个操作系统的实例可以同时管理所有 CPU 内核，但每个应用被锁定于某个指定的核心。

    宏 LOSCFG_KERNEL_SMP 表示对多 CPU 核的支持，鸿蒙默认是打开 LOSCFG_KERNEL_SMP 的。

    多 CPU 核支持

    鸿蒙内核对 CPU 的操作见于 los_mp.c ，因文件不大，这里把代码都贴出来了.

    Python

        #if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES)
        //给参数CPU发送调度信号
        VOID LOS_MpSchedule(UINT32 target)//target每位对应CPU core 
        {
            UINT32 cpuid = ArchCurrCpuid();
            target &= ~(1U schedFlag = INT_PEND_RESCH;//给当前Cpu贴上调度标签
        }
        //硬中断暂停处理函数
        VOID OsMpHaltHandler(VOID)
        {
            (VOID)LOS_IntLock();
            OsPercpuGet()->excFlag = CPU_HALT;//让当前Cpu停止工作
            while (1) {}//陷入空循环，也就是空闲状态
        }
        //MP定时器处理函数， 递归检查所有可用任务
        VOID OsMpCollectTasks(VOID)
        {
            LosTaskCB *taskCB = NULL;
            UINT32 taskID = 0;
            UINT32 ret;
            /* recursive checking all the available task */
            for (; taskID signal & SIGNAL_KILL) {//任务收到被干掉信号
                    ret = LOS_TaskDelete(taskID);//干掉任务，回归任务池
                    if (ret != LOS_OK) {
                        PRINT_WARN("GC collect task failed err:0x%x\n"， ret);
                    }
                }
            }
        }
        //MP(multiprocessing) 多核处理器初始化
        UINT32 OsMpInit(VOID)
        {
            UINT16 swtmrId;
            (VOID)LOS_SwtmrCreate(OS_MP_GC_PERIOD， LOS_SWTMR_MODE_PERIOD， //创建一个周期性，持续时间为 100个tick的定时器
                                (SWTMR_PROC_FUNC)OsMpCollectTasks， &swtmrId， 0);//OsMpCollectTasks为超时回调函数
            (VOID)LOS_SwtmrStart(swtmrId);//开始定时任务
            return LOS_OK;
        }
        #endif
    

    代码一一都加上了注解，这里再一一说明下:

    1.OsMpInit

    多 CPU 核的初始化， 多核情况下每个 CPU 都有各自的编号， 内核有分成主次 CPU， 0 号默认为主 CPU， OsMain () 由主 CPU 执行，被汇编代码调用。初始化只开了个定时任务，只干一件事就是回收不用的任务。回收的条件是任务是否收到了被干掉的信号。例如 shell 命令 kill 9 14 ，意思是干掉 14 号线程的信号，这个信号会被线程保存起来。可以选择自杀也可以等着被杀。这里要注意，鸿蒙有两种情况下任务不能被干掉， 一种是系统任务不能被干掉的， 第二种是正在运行状态的任务.

    2. 次级 CPU 的初始化

    同样由汇编代码调用，通过以下函数执行，完成每个 CPU 核的初始化

    Python

        //次级CPU初始化，本函数执行的次数由次级CPU的个数决定. 例如:在四核情况下，会被执行3次， 0号通常被定义为主CPU 执行main
        LITE_OS_SEC_TEXT_INIT VOID secondary_cpu_start(VOID)
        {
        #if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES)
            UINT32 cpuid = ArchCurrCpuid();
            OsArchMmuInitPerCPU();//每个CPU都需要初始化MMU
            OsCurrTaskSet(OsGetMainTask());//设置CPU的当前任务
            /* increase cpu counter */
            LOS_AtomicInc(&g_ncpu); //统计CPU的数量
            /* store each core's hwid */
            CPU_MAP_SET(cpuid， OsHwIDGet());//存储每个CPU的 hwid
            HalIrqInitPercpu(); //CPU硬件中断初始化
            OsCurrProcessSet(OS_PCB_FROM_PID(OsGetKernelInitProcessID())); //设置内核进程为CPU进程
            OsSwtmrInit();  //定时任务初始化，每个CPU维护自己的定时器队列
            OsIdleTaskCreate(); //创建空闲任务，每个CPU维护自己的任务队列
            OsStart(); //本CPU正式启动在内核层的工作
            while (1) {
                __asm volatile("wfi");//wait for Interrupt 等待中断，即下一次中断发生前都在此hold住不干活
            }//类似的还有 WFE: wait for Events 等待事件，即下一次事件发生前都在此hold住不干活
        #endif
        }
    

    可以看出次级 CPU 有哪些初始化步骤:

    • 初始化 MMU，OsArchMmuInitPerCPU
    • 设置当前任务 OsCurrTaskSet
    • 初始化硬件中断 HalIrqInitPercpu
    • 初始化定时器队列 OsSwtmrInit
    • 创建空任务 OsIdleTaskCreate， 外面没有任务的时 CPU 就待在这个空任务里自己转圈圈.
    • 开始自己的工作流程 OsStart，正式开始工作，跑任务

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      1. 基本概念
      2. 构建第一个ArkTS应用
      3. ……

      

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      1. 应用基础知识
      2. 配置文件
      3. 应用数据管理
      4. 应用安全管理
      5. 应用隐私保护
      6. 三方应用调用管控机制
      7. 资源分类与访问
      8. 学习ArkTS语言
      9. ……

      

      基于ArkTS 开发：https://qr21.cn/FV7h05

      1. Ability开发
      2. UI开发
      3. 公共事件与通知
      4. 窗口管理
      5. 媒体
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      7. 网络与链接
      8. 电话服务
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      11. 设备管理
      12. 设备使用信息统计
      13. DFX
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      15. 折叠屏系列
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      鸿蒙开发面试真题（含参考答案）：https://qr18.cn/F781PH

      

      鸿蒙开发面试大盘集篇（共计319页）：https://qr18.cn/F781PH

      1.项目开发必备面试题

      2.性能优化方向

      3.架构方向

      4.鸿蒙开发系统底层方向

      5.鸿蒙音视频开发方向

      6.鸿蒙车载开发方向

      7.鸿蒙南向开发方向