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验证

这套同步原语有两层测试,一层在 host、一层在 QEMU 机内,互为补充。

host 侧,test_sync.cpp 把 Spinlock/Mutex/Semaphore/等待队列的逻辑纯重实现了一份(不链内核代码,用 std::atomic 代替 __atomic,mock 掉 Scheduler::block/unblock 和 g_per_cpu),CINUX_HOST_TEST 门控。它盯的全是「逻辑对不对」:Spinlock 初态/acquire-release/guard/double-release 良性、等待队列 enqueue/dequeue/FIFO/空队/清 wait_next、Mutex 设 owner/清 owner/try_lock 成功失败/竞争 block+入队/所有权交接/三等待者 FIFO/RAII、Semaphore 初值/默认 0/post++/wait 正数不阻塞/wait 到负阻塞/try_wait 成功失败/边界(大初值、repeated post)/lock-unlock 复用、Task::wait_next 零初始化为 null:

ctest --test-dir build -R sync --output-on-failure

真正的原子操作(__atomic_test_and_set)和真正的 Scheduler::block/unblock(真调度器、真状态流转)只能在 QEMU 里验。test_sync.cpp 跑在真 PMM/VMM/Heap 之上,节名 Sync Tests (021),入口 run_sync_tests():

cmake --build build --target run-kernel-test

机内会跑九组:Spinlock acquire+guard;Mutex lock/try_lock free/held、竞争 block+入队 / unlock 交接 / 三等待者 FIFO、RAII;Semaphore 初值/默认 0/post++/wait 正数/wait 到 0 阻塞(count→-1)、try_wait 成功/0 失败/耗尽、post 唤醒 / 三等待者 FIFO、生产者-消费者计数模型(无阻塞,验证计数对得上)、Task::wait_next build 后为 null。这组测试是阻塞语义的真正保证——demo 不一定触发的阻塞路径,在这里被构造性覆盖。

最后是生产 demo,跑大内核看端到端:

cmake --build build --target run

串口应该看到 producer / consumer 交替输出 sent: 0 ... sent: 4 与 got: 0 ... got: 4,不死锁、不丢数。如前所述,这个规模不保证每次都真走阻塞,它验证的是「三件套拼对了、计数对得上」,不是「阻塞路径每次都触发」——后者归 QEMU 机内测试管。

下一站

021 让任务「睡得下去、醒得过来」,内核线程第一次有了真正的同步原语。可这套原语的所有前提都还停在内核态、单核、不关中断:Spinlock 的 acquire 没有关中断,正确性靠「自旋锁绝不跨阻塞持有」加单核抢占时机;Mutex/Semaphore 的 block 走的是 020 那条软件调度路径,和中断使能无关;Task::addr_space 在 demo 里压根没填,所有线程共享内核地址空间。

下一站(022)要跨出这一步:进 ring3,造用户态进程、系统调用,于是 SFMASK、MSR、中断门改 IF 这些会被重新审视——那一章会反过来拷问本章的同步原语:「在用户态可被打断、在中断里可能重入的世界里,这把自旋锁还安全吗?」本章留下的多核/IRQ 安全缺口,要往真正的可抢占方向推,就得先把 ring0 内核线程和 ring3 用户进程的边界划清楚。021 的 Spinlock/Mutex/Semaphore 是那条边界上一旦跨过去就要重新加固的地基——原语先立住,边界后划清。

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参考

• GCC __atomic Builtins(https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/_005f_005fatomic-Builtins.html,在线 200):__atomic_test_and_set(原子置 1 并返回旧值)、__atomic_clear(原子清 0)、__ATOMIC_ACQUIRE/__ATOMIC_RELEASE 的 happens-before 语义。支撑本章 Spinlock::acquire/release 的实现与内存序配对,延续 020 章已核引用。
• POSIX sem_post(3)(https://man7.org/linux/man-pages/man3/sem_post.3.html,man-pages 6.18,已读正文):「increments (unlocks) the semaphore;若结果 > 0 则唤醒一个 sem_wait 阻塞者」、MT-Safe、async-signal-safe。支撑 Semaphore::post() 的设计锚点,以及正文「SEM_VALUE_MAX/async-signal-safe 本章未实现」的边界对比。
• Intel SDM Vol.2B PAUSE 条目(本地 document/reference/intel/SDM-Vol2B-Instruction-Reference-M-U.pdf):pause 作为 Spin-Wait Hint 的概念性依据;手册内具体页未在本地 PDF 定位到,故正文仅作概念描述、不引页码。
• OSDev Wiki "Spinlock" / "Semaphore"(https://wiki.osdev.org/Spinlock、https://wiki.osdev.org/Semaphore):test-and-set + PAUSE 朴素自旋锁、计数信号量 + 有界缓冲生产者-消费者的社区路径,概念性对照(域名 403 反爬,无法抓正文,仅作方向引用)。
• 002 章 · 时钟到点,该换人了:抢占式调度:Scheduler::block(Task*, const char*) / unblock(Task*)、g_per_cpu.current、Spinlock 原语与「自旋锁只定义、没人用」的现状——本章直接接续并落地。
• 本 tag 源码:sync.hpp / sync.cpp、process.hpp(Task::wait_next)、scheduler.hpp / scheduler.cpp(block/unblock)、per_cpu.hpp、main.cpp(生产者-消费者 demo)、main_test.cpp(魔数检查双编码);测试 test_sync.cpp(host 镜像)、test_sync.cpp(QEMU 机内,节名 Sync Tests (021))。