9.7 Interrupt相关的并发

接下来我们讨论一下与中断相关的并发，并发加大了中断编程的难度。这里的并发包括以下几个方面：

• 设备与CPU是并行运行的。例如当UART向Console发送字符的时候，CPU会返回执行Shell，而Shell可能会再执行一次系统调用，向buffer中写入另一个字符，这些都是在并行的执行。这里的并行称为producer-consumer并行。

• 中断会停止当前运行的程序。例如，Shell正在运行第212个指令，突然来了个中断，Shell的执行会立即停止。对于用户空间代码，这并不是一个大的问题，因为当我们从中断中返回时，我们会恢复用户空间代码，并继续执行执行停止的指令。我们已经在trap和page fault中看过了这部分内容。但是当内核被中断打断时，事情就不一样了。所以，代码运行在kernel mode也会被中断，这意味着即使是内核代码，也不是直接串行运行的。在两个内核指令之间，取决于中断是否打开，可能会被中断打断执行。对于一些代码来说，如果不能在执行期间被中断，这时内核需要临时关闭中断，来确保这段代码的原子性。

• 驱动的top和bottom部分是并行运行的。例如，Shell会在传输完提示符“$”之后再调用write系统调用传输空格字符，代码会走到UART驱动的top部分（注，uartputc函数），将空格写入到buffer中。但是同时在另一个CPU核，可能会收到来自于UART的中断，进而执行UART驱动的bottom部分，查看相同的buffer。所以一个驱动的top和bottom部分可以并行的在不同的CPU上运行。这里我们通过lock来管理并行。因为这里有共享的数据，我们想要buffer在一个时间只被一个CPU核所操作。

这里我将会关注在第一点，也就是producer/consumser并发。这是驱动中的非常常见的典型现象。如你们所见的，在驱动中会有一个buffer，在我们之前的例子中，buffer是32字节大小。并且有两个指针，分别是读指针和写指针。

如果两个指针相等，那么buffer是空的。当Shell调用uartputc函数时，会将字符，例如提示符“$”，写入到写指针的位置，并将写指针加1。这就是producer对于buffer的操作。

producer可以一直写入数据，直到写指针 + 1等于读指针，因为这时，buffer已经满了。当buffer满了的时候，producer必须停止运行。我们之前在uartputc函数中看过，如果buffer满了，代码会sleep，暂时搁置Shell并运行其他的进程。

Interrupt handler，也就是uartintr函数，在这个场景下是consumer，每当有一个中断，并且读指针落后于写指针，uartintr函数就会从读指针中读取一个字符再通过UART设备发送，并且将读指针加1。当读指针追上写指针，也就是两个指针相等的时候，buffer为空，这时就不用做任何操作。

学生提问：这里的buffer对于所有的CPU核都是共享的吗？

Frans教授：这里的buffer存在于内存中，并且只有一份，所以，所有的CPU核都并行的与这一份数据交互。所以我们才需要lock。

学生提问：对于uartputc中的sleep，它怎么知道应该让Shell去sleep？

Frans教授： sleep会将当前在运行的进程存放于sleep数据中。它传入的参数是需要等待的信号，在这个例子中传入的是uart_tx_r的地址。在uartstart函数中，一旦buffer中有了空间，会调用与sleep对应的函数wakeup，传入的也是uart_tx_r的地址。任何等待在这个地址的进程都会被唤醒。有时候这种机制被称为conditional synchronization。

以上就是Shell输出提示符“$ ”的全部内容。如你们所见，过程还挺复杂的，许多代码一起工作才将这两个字符传输到了Console。