深入浅出 - Android系统移植与平台开发（八）－ HAL Stub框架分析

作者：唐老师,华清远见嵌入式学院讲师。

1. HAL Stub框架分析

HAL stub的框架比较简单，三个结构体、两个常量、一个函数，简称321架构，它的定义在：
@hardware/libhardware/include/hardware/hardware.h
@hardware/libhardware/hardware.c

[cpp] view plaincopyprint?

1. /*
                2. 每一个硬件都通过hw_module_t来描述，我们称之为一个硬件对象。你可以去“继承”这个hw_module_t，然后扩展自己的属性，硬件对象必须定义为一个固定的名字：HMI，即：Hardware Module Information的简写，每一个硬件对象里都封装了一个函数指针open用于打开该硬件，我们理解为硬件对象的open方法，open调用后返回这个硬件对应的Operation interface。
                3. */
                4. struct hw_module_t｛
                5.        uint32_t tag;                         // 该值必须声明为HARDWARE_MODULE_TAG
                6.        uint16_t version_major;    // 主版本号
                7.        uint16_t version_minor;    // 次版本号
                8.        const char *id; //硬件id名，唯一标识module
                9.        const char *name;              // 硬件module名字
                10.      const char * author;            // 作者
                11.       struct hw_module_methods_t* methods;     //指向封装有open函数指针的结构体
                12.       void* dso; // module’s dso
                13.       uint32_t reserved[32-7];    // 128字节补齐
                14. ｝;
                15.
                16. /*
                17. 硬件对象的open方法描述结构体，它里面只有一个元素：open函数指针
                18. */
                19. struct hw_module_methods_t{
                20.        // 只封装了open函数指针
                21.        int (*open)(const struct hw_module_t* module, const char * id,
                22.        struct hw_device_t** device);
                23. };
                24.
                25. /*
                26. 硬件对象hw_module_t的open方法返回该硬件的Operation interface，它由hw_device_t结构体来描述，我们称之为：该硬件的操作接口
                27. */
                28. struct hw_device_t{
                29.        uint32_t tag;                        // 必须赋值为HARDWARE_DEVICE_TAG
                30.        uint32_t version;                // 版本号
                31.        struct hw_module_t* module;     // 该设备操作属于哪个硬件对象，可以看成硬件操作接口与硬件对象的联系
                32.        uint32_t reserved[12];        // 字节补齐
                33.        int (*close)(struct hw_device_t* device);    // 该设备的关闭函数指针，可以看做硬件的close方法
                34. };

上述三个结构之间关系紧密，每个硬件对象由一个hw_module_t来描述，只要我们拿到了这个硬件对象，就可以调用它的open方法，返回这个硬件对象的硬件操作接口，然后就可以通过这些硬件操作接口来间接操作硬件了。只不过，open方法被struct hw_module_methods_t结构封装了一次，硬件操作接口被hw_device_t封装了一次而已。 那用户程序如何才能拿到硬件对象呢？

答案是通过硬件id名来拿。

我们来看下321架构里的：两个符号常量和一个函数：

[cpp] view plaincopyprint?

1. // 这个就是HAL Stub对象固定的名字
                2. #define HAL_MODULE_INFO_SYM                          HMI
                3. // 这是字符串形式的名字
                4. #define HAL_MODULE_INFO_SYM_AS_STR        "HMI"
                5. //这个函数是通过硬件名来获得硬件HAL Stub对象
                6. int hw_get_module(const char *id, const struct hw_module_t **module);

当用户调用hw_get_module函数时，第一个参数传硬件id名，那么这个函数会从当前系统注册的硬件对象里查找传递过来的id名对应的硬件对象，然后返回之。

从调用者的角度，我们基本上没有什么障碍了，那如何注册一个硬件对象呢？

很简单，只需要声明一个结构体即可，看下面这个Led Stub注册的例子：

[cpp] view plaincopyprint?

1. const struct led_module_t HAL_MODULE_INFO_SYM = {
                2.        common: {        // 初始化父结构hw_module_t成员
                3.                tag: HARDWARE_MODULE_TAG,
                4.                version_major: 1,
                5.                version_minor: 0,
                6.                id: LED_HARDWARE_MODULE_ID,
                7.                name: "led HAL Stub",
                8.                author: "farsight",
                9.                methods: &led_module_methods,
                10.        },
                11.        // 扩展属性放在这儿
                12. };

对，就这么简单，我们只需要声明一个结构体led_moduel_t，起名叫HAL_MODULE_INFO_SYM，也就是固定的名字：HMI，然后将这个结构体填充好就行了。led_module_t又是什么结构体类型啊？前面分析hw_modult_t类型时说过，我们可以“继承”hw_module_t类型，创建自己的硬件对象，然后自己再扩展特有属性，这里的led_module_t就是“继承”的hw_module_t类型。注意，继承加上了双引号，因为在C语言里没有继承这个概念：

[cpp] view plaincopyprint?

1. struct led_module_t {
                2.        struct hw_module_t common;
                3. };

结构体led_module_t封装了hw_module_t结构体，也就是说led_module_t这个新（子）结构体包含了旧（父）结构体，在新结构体里可以再扩展一些新的成员。结构体本身就具有封装特性，这不就是面向对象的封装和继承吗！为了显得专业点，我们用UML描述一下：

在上面的类图里，把hw_module_methods_t里封装的open函数指针指针写成open方法。

该open方法既：methods，自然也被子结构体给“继承”下来，我们将它初始化为led_module_methods的地址，该结构是hw_module_methods_t类型的，其声明代码如下：

[cpp] view plaincopyprint?

1. static struct hw_module_methods_t led_module_methods = {
                2.        open: led_device_open
                3. };

简洁，我喜欢！！，它里面仅有的open成员是个函数指针，它被指向led_device_open函数:

[cpp] view plaincopyprint?

1. static int led_device_open(const struct hw_module_t* module, const char* name,
                2. struct hw_device_t** device)
                3. {
                4.        struct led_device_t *led_device;
                5.        LOGI("%s E ", __func__);
                6.        led_device = (struct led_device_t *)malloc(sizeof(*led_device));
                7.        memset(led_device, 0, sizeof(*led_device));
                8.
                9.        // init hw_module_t
                10.       led_device->common.tag= HARDWARE_DEVICE_TAG;
                11.       led_device->common.version = 0;
                12.       led_device->common.module= module;
                13.       led_device->common.close = led_device_close;
                14.
                15.       // init operation interface
                16.       led_device->set_on= led_set_on;
                17.       led_device->set_off= led_set_off;
                18.       led_device->get_led_count = led_getcount;
                19.       *device= (struct hw_device_t *)led_device;
                20.
                21.       if((fd=open("/dev/leds",O_RDWR))==-1)
                22.        {
                23.                LOGI("open error");
                24.                return -1;
                25.        }else
                26.        LOGI("open ok\n");
                27.
                28.        return 0;
                29. }

led_device_open函数的功能：
Ø  分配硬件设备操作结构体led_device_t，该结构体描述硬件操作行为
Ø  初始化led_device_t的父结构体hw_device_t成员
Ø  初始化led_device_t中扩展的操作接口
Ø  打开设备，将led_device_t结构体以父结构体类型返回（面向对象里的多态）

hw_module_t与hw_module_methods_t及硬件open函数的关系如下：

我们来看下led_device_t和其父结构体hw_device_t的关系：

[cpp] view plaincopyprint?

1. struct led_device_t {
                2.        struct hw_device_t common; // led_devict_t的父结构，它里面只封装了close方法
                3.        // 下面三个函数指针是子结构led_device_t对父结构hw_device_t的扩展，可以理解为子类扩展了父类增加了三个方法
                4.        int (*getcount_led)(struct led_device_t *dev);
                5.        int (*set_on)(struct led_device_t *dev);
                6.        int (*set_off)(struct led_device_t *dev);
                7. };

用UML类图来表示：

由类图可知，led_device_t扩展了三个接口：seton()， setoff()，get_led_count()。

那么剩下的工作就是实现子结构中新扩展的三个接口了：

[cpp] view plaincopyprint?

1. static int led_getcount(struct led_control_device_t*dev)
                2. {
                3.        LOGI("led_getcount");
                4.        return 4;
                5. }
                6.
                7. static int led_set_on(struct led_control_device_t *dev)
                8. {
                9.         LOGI("led_set_on");
                10.        ioctl(fd,GPG3DAT2_ON,NULL);
                11.        return 0;
                12. }
                13.
                14. static int led_set_off(struct led_control_device_t*dev)
                15. {
                16.        LOGI("led_set_off");
                17.        ioctl(fd,GPG3DAT2_OFF,NULL);
                18.        return 0;
                19. }

这三个接口函数直接和底层驱动打交道去控制硬件，具体驱动部分我们不去讲，那是另外一个体系了。

总结一下：
我们有一个硬件id名，通过这个id调用hw_get_module(char*id, struct hw_module_t **module),这个函数查找注册在当前系统中与id对应的硬件对象并返回之，硬件对象里有个通过hw_module_methods_t结构封装的open函数指针，回调这个open函数，它返回封装有硬件操作接口的led_device_t结构体，这样我们可以通过这个硬件接口去间接的访问硬件了。
在这个过程中hw_get_module返回的是子结构体类型led_module_t，虽然函数的第二个参数类型为hw_module_t的父类型，这里用到了面向对象里的多态的概念。
下面还有一个问题我们没有解决，为什么我们声明了一个名字为HMI结构体后，它就注册到了系统里？hw_get_module函数怎么找到并返回led_module_t描述的硬件对象的？

杀鸡取卵找HAL Stub

如果要知道为什么通过声明结构体就将HALStub注册到系统中，最好的方法是先知道怎么样通过hw_get_module_t来找到注册的硬件对象。

我们分析下hw_get_module函数的实现：
@hardware/libhardware/hardware.c

[cpp] view plaincopyprint?

1. static const char *variant_keys[] = {
                2.        “ro.hardware”,
                3.        “ro.product.board”,
                4.        “ro.board.platform”,
                5.        “ro.arch”
                6. };
                7. // 由上面定义的字符串数组可知，HAL_VARIANT_KEYS_COUNT的值为4
                8. struct constint HAL_VARIANT_KEYS_COUNT = (sizeof(variant_keys)/sizeof(variant_keys[0]));
                9.
               10. int hw_get_module(const char *id, const struct hw_module_t **module){
               11.        // 调用3个参数的hw_get_module_by_class函数
               12.        return hw_get_module_by_class(id, NULL, module);
               13. }
               14.
               15. int hw_get_module_by_class(const char *class_id, const char *inst,
               16. const struct hw_module_t **module){
               17.        int status;
               18.        int i;
               19.        // 声明一个hw_module_t指针变量hmi
               20.        const struct hw_module_t *hmi = NULL;
               21.        char prop[PATH_MAX};
               22.        char path[PATH_MAX];
               23.        char name[PATH_MAX];
               24.        // 由前面调用函数可知，inst ＝ NULL，执行else部分，将硬件id名拷贝到name数组里
               25.        if(inst)
               26.        snprintf(name, PATH_MAX, “%s.%s”, class_id, inst);
               27.        else
               28.        strlcpy(name, class_id, PATH_MAX);
               29.        // i 循环5次
               30.        for(i=0; i<HAL_VARIANT_KEYS_COUNT+1; i++){
               31.                if(i<HAL_VARIANT_KEYS_COUNT){
               32.                        // 从系统属性里依次查找前面定义的4个属性的值，找其中一个后，执行后面代码，找不到，进入else部分执行
               33.                        if(property_get(variant_keys[i], prop, NULL) == 0){
               34.                                continue;
               35.                        }
               36.                        // 找到一个属性值prop后，拼写path的值为：/vendor/lib/hw/硬件id名.prop.so
               37.                        snprintf(path, sizeof(path), “%s/%s.%s.so”,
               38.                        HAL_LIBRARY_PATH2, name, prop);
               39.                        if(access(path, R_OK) ==0) break; // 如果path指向有效的库文件，退出for循环
               40.                        // 如果vendor/lib/hw目录下没有库文件，查找/system/lib/hw目录下有没有：硬件id名.prop.so的库文件
               41.                        snprintf(path, sizeof(path), “%s/%s.%s.so”,
               42.                        HAL_LIBRARY_PATH1, name, prop);
               43.                        If(access(path, R_OK) == 0) break;
               44.                } else {
               45.                        // 如果4个系统属性都没有定义，则使用默认的库名：/system/lib/hw/硬件id名.default.so
               46.                        snprintf(path, sizeof(path), “%s/%s.default.so”,
               47.                        HAL_LIBRARY_PATH1, name);
               48.                        If(access(path, R_OK) == 0) break;
               49.                }
               50.        }
               51.        status = -ENOENT;
               52.        if(i<HAL_VARIANT_KEYS_COUNT+1){
               53.                status = load(class_id, path, module); // 难道是要加载前面查找到的so库？？
               54.        }
               55.        return status;
               56. }
               57.
               58. static int load(const char *id, counst char *path, const struct hw_module_t **pHmi){
               59.        void *handle;
               60.        struct hw_module_t * hmi;
               61.        // 通过dlopen打开so库
               62.        handle = dlopen(path, RTLD_NOW);
               63.        // sym的值为”HMI”，这个名字还有印象吗？
               64.        const char * sym = HAL_MODULE_INFO_SYM_AS_STR;
               65.        // 通过dlsym从打开的库里查找”HMI”这个符号，如果在so代码里有定义的函数名或变量名为HMI，dlsym返回其地址hmi，将该地址转化成hw_module_t类型，即，硬件对象，这招够狠，“杀鸡取卵”
               66.        hmi = (struct hw_module_t *)dlsym(handle, sym);
               67.        // 判断找到的硬件对象的id是否和要查找的id名一致，不一致出错退出
               68.         // 取了卵还要验证下是不是自己要的“卵”
               69.        if(strcmp(id, hmi->) != 0){
               70.                // 出错退出处理
               71.        }
               72.        // 将库的句柄保存到hmi硬件对象的dso成员里
               73.        hmi->dso = handle;
               74.        // 将硬件对象地址送给load函数者，最终将硬件对象返回到了hw_get_module的调用者
               75.        *pHmi = hmi;
               76.        // 成功返回
               77. }

通过上面代码的注释分析可知，硬件对象声明的结构体代码被编译成了so库，由于该结构体声明为const类型，被so库包含在其静态代码段里，要找到硬件对象，首先要找到其对应的so库，再通过dlopen，dlsym这种“杀鸡取卵”的方式找到硬件对象，当然这儿的：“鸡”是指：so库，“卵”既：硬件对象led_module_t结构。

在声明结构体led_module_t时，其名字统一定义为了HMI，而这么做的目的就是为了通过dlsym来查找led HAL Stub源码生成的so库里的”HMI”符号。现在很明显了，我们写的HAL Stub代码最终要编译so库文件，并且库文件名为：led.default.so（当然可以设置四个系统属性之一来指定名字为：led.属性值.so），并且库的所在目录为：/system/lib/hw/。

现在底层的实现部分基本上吃透了，现在我们把目光放到调用者上，根据本章开头介绍可知，上层调用本地代码要使用JNI技术，我们先来恶补下JNI的知识吧。

文章来源：华清远见嵌入式学院，原文地址：http://www.embedu.org/Column/Column723.htm

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