xv6 lec10 Multiprocessors and locking
https://mit-public-courses-cn-translatio.gitbook.io/mit6-s081/lec10-multiprocessors-and-locking
10.1 为什么要使用锁？
- 一个进程可以运行在多个CPU核上(虽然有CPU的亲和性)，所以XV6存在很多共享的数据结构
- 一个矛盾点在于：并行的目的是为了获取高性能，而在不同的CPU核上执行系统调用，访问共享数据，又需要是使用??，这又限制了性能
- race condition导致程序出错，需要加锁避免
10.2 锁如何避免race condition？
- ??是一个对象，在内核中有一个结构体叫做lock，其中的字段维护了??的状态，有两个api，lock和release
- acquire与release之间的区域被称为critical section，
- 内核中存在一个big kernel lock，基本上所有的系统调用都被被这把大锁保护，以此达到一个应用程序串行执行多个系统调用。
- XV6具有多把??，以此达到不同的并发程度
10.3 什么时候使用锁？
- 不能够自动加锁，
10.4 锁的特性和死锁
- ??有三种作用:
- ??可以避免丢失更新。
- ??可以使多个操作具有原子性，打包多个操作
- ??可以维护共享数据结构的不变性。共享数据结构如果不被任何进程修改的话是会保持不变的。如果某个进程acquire了锁并且做了一些更新操作，共享数据的不变性暂时会被破坏，但是在release锁之后，数据的不变性又恢复了。
- ??的不正确使用会带来deadlock，aa型可以通过触发panic处理，ab型通过??排序解决
10.5 锁与性能
- 对于??与性能的取舍在于:先对模块加上coarse-grained lock，之后在测试，是否需要重构程序减少??的粒度
10.6 XV6中UART模块对于锁的使用
- UART模块是一个coarse-grained lock的设计，
- uartputc函数中??的使用
- 在UART驱动的bottom部分调用的
uartintr函数会acquire??，同时在UART驱动的top的部分譬如uartputc函数也会acquire??，所以top与bottom可以并行无错的进行。
10.7 自旋锁（Spin lock）的实现（一）
- 对于自旋锁的acquire，其中有一个死循环，循环判断locked是否为0，如果为0，那么表明当前??没有持有者，那么当前调用acquire的进程可以通过将locked字段置1来获取??，这里对于locked字段的获取存在race，这里通过硬件原子指令amoswap（atomic memory swap），这个指令接收3个参数，分别是address，寄存器r1，寄存器r2。这条指令会先锁定住address，将address中的数据保存在一个临时变量中（tmp），之后将r1中的数据写入到地址中，之后再将保存在临时变量中的数据写入到r2中，最后再对于地址解锁。基本思想是对于地址加锁，读出数据，写入新数据，然后返回旧数据
- spinlock中存的是一个locked“布尔变量”，其他两个是调试信息
- acquire函数，这个while循环里就是atomic swap操作
atomic swap操作就是
- release函数就是将0写回s1，注意这里的写回也是原子操作，而不是单纯的store
10.8 自旋锁（Spin lock）的实现（二）
- sotre指令不是原子指令
- acquire一开始会关中断，如果不关中断，如果当一个CPU执行UART驱动的top部分时，也就是
uartputc,获取了??，这个时候来了一个中断，如果没有关中断，这个时候CPU去处理中断，而中断处理程序，也就是驱动中断的bottom部分uartintr函数,这个函数里会去获取同一把??，这时发生了aa型deadlock，这个时候os会触发panic。针对这种情况，需要在acquire中关闭中断，在release的结束位置再次打开，
memeory ordering,编译器会优化，改变指令执行顺序，使用memory fence或者叫做synchronize指令解决这个问题
- 即使是一个CPU，也要处理原子操作，也就是开关中断
