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MIT6.S081
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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。