kernel-concurrency

内核并发

用途

指导 Agent 使用 Linux 内核中的同步机制：自旋锁、互斥锁、信号量、RCU、顺序锁、完成量和内存排序规则——这些对于编写正确的驱动和子系统补丁至关重要。

使用场景

• IRQ 处理程序与进程上下文共享数据
• 需要使用 RCU 的读多写少型数据结构
• 为 probe 与 ioctl 路径选择锁类型
• 调试死锁或 scheduling while atomic

工作流

1. 锁选择树

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

持有自旋锁时绝不能睡眠（kmalloc(GFP_KERNEL)、mutex_lock）。

2. 自旋锁 + IRQ

spinlock_t lock;
unsigned long flags;

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

如果问题在于软中断与任务队列之间的数据共享，请使用 spin_lock_bh。

3. 进程上下文中的互斥锁

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

4. RCU（读-复制-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 读者不得无限期阻塞。所有 CPU 都进入静止状态后，宽限期才会结束。

5. 顺序锁（jiffies、时间戳）

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

写入者使用 write_seqlock / write_sequnlock。

6. 完成量

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

7. 内存屏障

内核提供 smp_mb()、smp_wmb()、smp_rmb()。设备 MMIO 使用 readl/writel（在大多数架构上有序）。用户空间类比请参见 skills/low-level-programming/memory-model。

8. Agent 用法

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

常见问题

症状	原因	修复方法
scheduling while atomic	持有自旋锁时睡眠	使用 GFP_ATOMIC 或延后工作
死锁	互斥锁顺序导致 AB-BA	使用全局锁顺序
RCU 停滞	读者阻塞时间过长	尽量缩短 rcu_read_lock 临界区
丢失唤醒	在 wait 之前调用 complete	每个周期都使用 INIT_COMPLETION
计数器损坏	IRQ 中的非原子读-改-写操作	使用 atomic_t 或锁

相关技能

• skills/kernel/device-drivers — 线程化 IRQ 模式
• skills/low-level-programming/memory-model — C11 原子操作与内核原子操作
• skills/debuggers/concurrency-debugging — 用户空间 TSan
• skills/kernel/kernel-internals — 调度器抢占
• skills/profilers/linux-perf — 锁竞争分析