kernel-concurrency

カーネルの並行処理

目的

Linux カーネルでの同期についてエージェントをガイドします。スピンロック、ミューテックス、セマフォ、RCU、シーケンスロック、完了通知、メモリ順序規則を扱います。これらは、正しいドライバーやサブシステムのパッチを作成するうえで重要です。

使用する場面

• IRQ ハンドラーとプロセスコンテキストでデータを共有する場合
• RCU が必要な読み取りが中心のデータ構造
• probe パスと ioctl パスで使用するロックの種類を選ぶ場合
• デッドロックや scheduling while atomic をデバッグする場合

ワークフロー

1. ロック選択ツリー

Context can sleep?
├── No (IRQ, spinlock held, preempt disabled)
│   └── spin_lock_irqsave() / atomic_t
└── Yes
    ├── Exclusive long-held → mutex
    ├── Reader/writer → rw_semaphore or RCU (read-mostly)
    └── One-shot signal → completion

スピンロックを保持したままスリープしてはいけません（kmalloc(GFP_KERNEL)、mutex_lock）。

2. スピンロックと IRQ

spinlock_t lock;
unsigned long flags;

spin_lock_irqsave(&lock, flags);
/* critical section — no blocking */
spin_unlock_irqrestore(&lock, flags);

ソフト IRQ／タスクレットとの共有が問題になる場合は、spin_lock_bh を使用します。

3. プロセスコンテキストでのミューテックス

struct mutex m;
mutex_lock(&m);
/* may allocate, may sleep */
mutex_unlock(&m);

4. RCU（読み取り・コピー・更新）

/* Readers — no lock */
rcu_read_lock();
p = rcu_dereference(ptr);
/* use p */
rcu_read_unlock();

/* Writer */
new = kmalloc(...);
rcu_assign_pointer(ptr, new);
synchronize_rcu();
kfree(old);

RCU の読み取り側は、無期限にブロックしてはいけません。すべての CPU が静止状態になった後、猶予期間が完了します。

5. シーケンスロック（jiffies、タイムスタンプ）

unsigned seq;
do {
    seq = read_seqbegin(&seqlock);
    /* read shared data */
} while (read_seqretry(&seqlock, seq));

書き込み側では write_seqlock／write_sequnlock を使用します。

6. 完了通知

DECLARE_COMPLETION(done);
/* waiter */
wait_for_completion(&done);
/* signaller */
complete(&done);

7. メモリバリア

カーネルには smp_mb()、smp_wmb()、smp_rmb() が用意されています。デバイス MMIO では readl／writel を使用します（ほとんどのアーキテクチャでは順序が保証されます）。ユーザー空間での類似機能については、skills/low-level-programming/memory-model を参照してください。

8. エージェントでの使用

/kernel-concurrency Protect shared ring buffer between IRQ and read() syscall

よくある問題

症状	原因	修正方法
scheduling while atomic	スピンロック中にスリープしている	GFP_ATOMIC を使用するか、作業を後回しにする
デッドロック	ミューテックスの AB-BA 順序	ロックの取得順序を統一する
RCU の停滞	読み取り側が長時間ブロックしている	rcu_read_lock セクションを最小限にする
ウェイクアップの取りこぼし	wait より前に complete している	サイクルごとに INIT_COMPLETION を使用する
カウンターの破損	IRQ 内でアトミックでない RMW を行っている	atomic_t またはロックを使用する

関連スキル

• skills/kernel/device-drivers — スレッド化 IRQ のパターン
• skills/low-level-programming/memory-model — C11 アトミック操作とカーネルの比較
• skills/debuggers/concurrency-debugging — ユーザー空間の TSan
• skills/kernel/kernel-internals — スケジューラーのプリエンプション
• skills/profilers/linux-perf — ロック競合のプロファイリング