Newlib

来自资料库(何亚红)
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源代码

主要

https://sourceware.org/git/newlib-cygwin.git

说明

newlib是一个用于嵌入式系统的C运行库，通常与GCC搭配使用。

常用于单片机。

系统调用

对于嵌入式系统而言，环境复杂多样，有的支持多线程有的不支持，因此部分关于OS的接口C运行库不能预先实现。

对于newlib而言，用户需要手动实现一些操作系统接口。

基本OS接口

基本OS接口用于单进程(线程)环境或者不使用OS相关特性（只要求编译通过而不使用系统调用）的场景。

实现OS接口时应当包含errno.h头文件（用于使用错误代码）。

名称 类型 说明 备注
_exit 函数 退出程序并清理文件
close 函数 关闭文件 默认示例:
int close(int file) 
{
  return -1;
}
可重入版本(用于多进程(线程)环境):_close_r
environ 指针 环境变量 默认示例:
char *__env[1] = { 0 };
char **environ = __env;
execve 函数 将控制权交给新进程 默认示例:
#include <errno.h>
#undef errno
extern int errno;
int execve(char *name, char **argv, char **env) 
{
  errno = ENOMEM;
  return -1;
}
可重入版本(用于多进程(线程)环境):_execve_r
fork 函数 创建新进程 默认示例:
#include <errno.h>
#undef errno
extern int errno;
int fork(void) 
{
  errno = EAGAIN;
  return -1;
}
可重入版本(用于多进程(线程)环境):_fork_r
fstat 函数 获取打开的文件的状态 默认示例:
#include <sys/stat.h>
int fstat(int file, struct stat *st) 
{
  st->st_mode = S_IFCHR;
  return 0;
}
可重入版本(用于多进程(线程)环境):_fstat_r
getpid 函数 获取进程ID 默认示例:
int getpid(void) 
{
  return 1;
}
可重入版本(用于多进程(线程)环境):_getpid_r
isatty 函数 查询输出流是否为终端 默认示例:
int isatty(int file) 
{
  return 1;
}
kill 函数 发送信号 默认示例:
#include <errno.h>
#undef errno
extern int errno;
int kill(int pid, int sig) 
{
  errno = EINVAL;
  return -1;
}
可重入版本(用于多进程(线程)环境):_kill_r
link 函数 给已有文件创建一个新名字 默认示例:
#include <errno.h>
#undef errno
extern int errno;
int link(char *old, char *new) 
{
  errno = EMLINK;
  return -1;
}
可重入版本(用于多进程(线程)环境):_link_r
lseek 函数 设置文件位置 默认示例:
int lseek(int file, int ptr, int dir) 
{
  return 0;
}
可重入版本(用于多进程(线程)环境):_lseek_r
open 函数 打开文件 默认示例:
int open(const char *name, int flags, int mode) 
{
  return -1;
}
可重入版本(用于多进程(线程)环境):_open_r
read 函数 读取文件 默认示例:
int read(int file, char *ptr, int len) 
{
  return 0;
}
可重入版本(用于多进程(线程)环境):_read_r
sbrk 函数 增大程序数据空间，默认的内存分配函数依赖此函数 默认示例:
caddr_t sbrk(int incr) 
{
  extern char _end;		/* Defined by the linker */
  static char *heap_end;
  char *prev_heap_end;
 
  if (heap_end == 0) {
    heap_end = &_end;
  }
  prev_heap_end = heap_end;
  if (heap_end + incr > stack_ptr) {
    write (1, "Heap and stack collision\n", 25);
    abort ();
  }

  heap_end += incr;
  return (caddr_t) prev_heap_end;
}
可重入版本(用于多进程(线程)环境):_sbrk_r
stat 函数 获取文件状态 默认示例:
int stat(char *file, struct stat *st) 
{
  st->st_mode = S_IFCHR;
  return 0;
}
可重入版本(用于多进程(线程)环境):_stat_r
times 函数 当前进程时间信息 默认示例:
int times(struct tms *buf) 
{
  return -1;
}
可重入版本(用于多进程(线程)环境):_times_r
unlink 函数 移除文件的目录入口，相当于删除 默认示例:
#include <errno.h>
#undef errno
extern int errno;
int unlink(char *name) 
{
  errno = ENOENT;
  return -1; 
}
可重入版本(用于多进程(线程)环境):_unlink_r
wait 函数 等待子进程 默认示例:
#include <errno.h>
#undef errno
extern int errno;
int wait(int *status) 
{
  errno = ECHILD;
  return -1;
}
可重入版本(用于多进程(线程)环境):_wait_r
write 函数 写入数据到文件 默认示例:
int write(int file, char *ptr, int len) 
{
  int todo;

  for (todo = 0; todo < len; todo++) {
    outbyte (*ptr++);
  }
  return len;
}
可重入版本(用于多进程(线程)环境):_write_r

可重入OS接口

可重入OS接口用于多进程（线程）环境。

newlib的可重入实现在reent.h头文件中，可重入结构体定义为struct _reent，未启用_REENT_THREAD_LOCAL宏定义时实现可重入的要求如下:

  • 每一个进程(线程)都必须有一个可重入结构体变量，并且在创建进程（线程）时初始化，删除进程（线程）时清理。个人推荐将可重入结构体附加到PCB（进程控制块）上。
  • 在调用相关库函数时将全局变量 _impure_ptr 改成当前进程（线程）的独有的可重入结构体变量指针或者启用__DYNAMIC_REENT__手动实现struct _reent * __getreent (void);函数。个人推荐在线程上下文切换时进行修改变量操作或者手动实现__getreent函数（对于多核CPU而言，只能手动实现__getreent,直接返回当前CPU的运行线程的可重入结构体变量指针）。

当启用_REENT_THREAD_LOCAL 宏定义时，可重入的实现由线程局部(TLS)变量实现，无需可重入结构体，调用可重入函数时struct _reent 的指针为NULL。

函数 声明
_close_r 
#include <reent.h>
int _close_r(struct _reent *ptr, int fd);
_execve_r 
#include <reent.h>
int _execve_r(struct _reent *ptr, const char *name,char *const argv[], char *const env[]);
_fork_r 
#include <reent.h>
int _fork_r(struct _reent *ptr);
_wait_r 
#include <reent.h>
int _wait_r(struct _reent *ptr, int *status);
_fstat_r 
#include <reent.h>
int _fstat_r(struct _reent *ptr,int fd, struct stat *pstat);
_link_r 
#include <reent.h>
int _link_r(struct _reent *ptr,const char *old, const char *new);
_lseek_r 
#include <reent.h>
off_t _lseek_r(struct _reent *ptr,int fd, off_t pos, int whence);
_open_r 
#include <reent.h>
int _open_r(struct _reent *ptr,const char *file, int flags, int mode);
_read_r 
#include <reent.h>
_ssize_t _read_r(struct _reent *ptr,int fd, void *buf, size_t cnt);
_sbrk_r 
#include <reent.h>
void *_sbrk_r(struct _reent *ptr, ptrdiff_t incr);
_kill_r 
#include <reent.h>
int _kill_r(struct _reent *ptr, int pid, int sig);
_getpid_r 
#include <reent.h>
int _getpid_r(struct _reent *ptr);
_stat_r 
#include <reent.h>
int _stat_r(struct _reent *ptr,const char *file, struct stat *pstat);
_times_r 
#include <reent.h>
#include <sys/times.h>
clock_t _times_r(struct _reent *ptr, struct tms *ptms);
_unlink_r 
#include <reent.h>
int _unlink_r(struct _reent *ptr, const char *file);
_write_r 
#include <reent.h>
_ssize_t _write_r(struct _reent *ptr,int fd, const void *buf, size_t cnt);

内存管理

对于C语言而言，内存管理主要指动态内存分配与释放。

对于newlib而言，主要的内存管理函数如下:

函数 可重入版本 备注
void *malloc(size_t nbytes); void *_malloc_r(void *reent, size_t nbytes); 常用函数
void *realloc(void *aptr, size_t nbytes); void *_realloc_r(void *reent, void *aptr, size_t nbytes);
void *reallocf(void *aptr, size_t nbytes); void *_reallocf_r(void *reent, void *aptr, size_t nbytes);
void free(void *aptr); void _free_r(void *reent, void *aptr); 常用函数
void *memalign(size_t align, size_t nbytes); void *_memalign_r(void *reent,

size_t align, size_t nbytes);

size_t malloc_usable_size(void *aptr); size_t _malloc_usable_size_r(void *reent, void *aptr);

对于有些RTOS而言，它们有自己的内存分配机制，通常直接重写malloc与free函数而不使用newlib自身的内存分配机制。

newlib的内存分配依靠sbrk(或_sbrk_r)实现，对于单线程环境而言，无需其它操作，对于多线程环境而言，需要给内存分配与释放加锁，需要手工实现以下内存分配锁:

函数 说明
void __malloc_lock (struct _reent *reent); malloc锁
void __malloc_unlock (struct _reent *reent); malloc解锁

注意:内存分配锁中不能调用内存分配相关函数，尽量使用静态变量。内存分配锁应当具有递归锁的特点，即同一线程可多次加锁后解锁相同次数才解锁。

官方资料

网站: http://sourceware.org/newlib/

相关数据手册

Newlib 4.4.0

文件:Newlib Libc.4.4.0.pdf

文件:Newlib Libm.4.4.0.pdf

Newlib 4.3.0

相关资料

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