同步与锁 (Synchronization & Locking)

本文档概述了 comix 内核中用于处理并发和防止竞争条件的同步原语。

1. 简介

在多核或可抢占的内核中，当多个执行流（如不同核上的任务，或中断处理程序与被中断的任务）同时访问共享数据时，若不加协调，就会产生竞争条件（Race Condition），导致数据损坏和系统崩溃。

sync 模块提供了一系列同步原语（Synchronization Primitives），通过确保在任何时刻只有一个执行流能够访问临界区（Critical Section），来保证共享数据的完整性。

自旋锁 (SpinLock): 用于保护短临界区的互斥锁。
睡眠锁 (SleepLock): 用于保护长临界区，会使等待者任务睡眠。
中断屏蔽 (IntrGuard): 用于在单核上实现临界区的底层机制。
锁顺序与死锁预防: 内核中必须遵守的锁获取规则。
SMP内核的中断与并发问题: SMP系统中的中断和并发挑战。

2. 核心概念

本内核主要采用两种策略来解决并发问题：

中断屏蔽 (Interrupt Disabling): 在单核处理器上，禁用中断可以防止当前代码被中断处理程序打断，从而避免了任务代码与中断代码之间的竞争。这是实现其他更复杂锁的底层基础。
原子操作与自旋 (Atomic Operations & Spinning): 在多核处理器上，仅屏蔽本地核心的中断是不够的，因为其他核心仍然可以访问共享数据。自旋锁利用CPU提供的原子操作（如 amoswap）来循环检查并获取锁。如果锁已被占用，它会“自旋”（在一个紧凑循环中等待），直到锁被释放。

3. 同步原语概览

comix 提供了多种同步原语，适用于不同的场景：

原语	源码链接	核心机制	适用场景
`SpinLock<T>`	`os/src/sync/spin_lock.rs`	屏蔽中断 + 原子操作自旋	保护访问耗时极短的共享数据，例如修改一个计数器或链表指针。
`SleepLock`	`os/src/sync/sleep_lock.rs`	原子操作 + 任务睡眠 (`WaitQueue`)	保护访问耗时较长的共享数据，例如执行I/O操作或复杂的计算。
`IntrGuard`	`os/src/sync/intr_guard.rs`	屏蔽/恢复中断 (RAII)	作为其他锁的底层实现，或在确定为单核且无需锁的场景下临时屏蔽中断。
`RawSpinLock`	`os/src/sync/raw_spin_lock.rs`	纯粹的原子操作自旋	`SpinLock` 和 `SleepLock` 的内部构件，不推荐直接使用。

4. 设计哲学：RAII 与锁守卫

为了防止因忘记释放锁而导致的死锁，本模块广泛采用了 RAII (Resource Acquisition Is Initialization) 设计模式。

当调用 lock() 方法时，会返回一个锁守卫 (Lock Guard) 对象（例如 SpinLockGuard）。
这个守卫对象在其生命周期内持有锁，并提供对受保护数据的安全访问（通过 Deref 和 DerefMut）。
当守卫对象离开其作用域时，它的 drop() 方法会自动被调用，从而自动释放锁。

这种设计极大地提升了锁使用的安全性。

#![allow(unused)]
fn main() {
// 示例：
let data = SpinLock::new(0);

// lock() 返回一个守卫对象 guard
let mut guard = data.lock();

// 通过 guard 安全地访问被保护的数据
*guard += 1;

// 当 guard 离开作用域时，锁会自动释放，无需手动调用 unlock()
}

5. 注意事项：死锁

使用锁时必须警惕死锁 (Deadlock)。一个常见的死锁场景是锁顺序反转：

任务A: lock(L1); lock(L2);
任务B: lock(L2); lock(L1);

如果任务A持有L1并等待L2，而任务B持有L2并等待L1，两个任务将永远等待下去。

规则: 在整个内核中，如果需要同时获取多个锁，必须始终按照相同的顺序获取它们。详见锁顺序与死锁预防

Comix 内核文档