第八章：并发

本章实现了线程和同步原语，支持多线程编程和同步机制。

功能概述

• 线程创建与管理
• 互斥锁 (Mutex)
• 信号量 (Semaphore)
• 条件变量 (Condvar)
• 线程阻塞/唤醒机制

快速开始

在 tg-ch18 目录下执行：

cargo run                      # 基础模式
cargo run --features exercise  # 练习模式

默认会在 tg-ch18 目录下创建 tg-user 源码目录（通过 cargo clone）。
默认拉取版本为 0.2.0-preview.1，可通过环境变量 TG_USER_VERSION 覆盖。
若已有本地 tg-user，可通过 TG_USER_DIR 指定路径。

测试

./test.sh  # 全部测试，等价于 ./test.sh all
./test.sh base  # 基础测试
./test.sh exercise  # 练习测试

用户程序加载

tg-ch18 在构建阶段会拉取 tg-user 并编译用户程序，然后将编译产物打包到 easy-fs 磁盘镜像 fs.img 中。运行时 QEMU 挂载该磁盘镜像，内核通过 virtio-blk 驱动访问文件系统，按文件名加载并执行用户程序。

默认 QEMU 启动参数

-machine virt -nographic -bios none\
-drive file=target/riscv64gc-unknown-none-elf/debug/fs.img,if=none,format=raw,id=x0\
-device virtio-blk-device,drive=x0,bus=virtio-mmio-bus.0

线程

本章将进程与线程分离：Process 管理共享资源（地址空间、文件描述符、同步原语），Thread 管理执行状态（上下文、TID）：

pub struct Process {
    pub pid: ProcId,
    pub address_space: AddressSpace<Sv39, Sv39Manager>,
    pub fd_table: Vec<Option<Mutex<Fd>>>,
    pub mutex_list: Vec<Option<Arc<dyn MutexTrait>>>,
    pub semaphore_list: Vec<Option<Arc<Semaphore>>>,
    // ...
}

pub struct Thread {
    pub tid: ThreadId,
    pub context: ForeignContext,
}

同一进程的线程共享地址空间，但各自有独立的用户栈。创建线程时在地址空间中分配新的栈区域。

同步与阻塞

当线程尝试获取已被占用的锁或信号量时，需要阻塞等待。

Id::SEMAPHORE_DOWN | Id::MUTEX_LOCK | Id::CONDVAR_WAIT => {
    let ctx = &mut task.context.context;
    *ctx.a_mut(0) = ret as _;
    if ret == -1 { // 获取失败，阻塞
        unsafe { (*processor).make_current_blocked() };
    } else { // 获取成功，挂起
        unsafe { (*processor).make_current_suspend() };
    }
}

当持有者释放锁时，将唤醒等待队列中的线程。

关键依赖：tg-sync

tg-sync 提供三种同步原语的实现，均使用 UPIntrFreeCell 包装以保证单处理器环境下的线程安全：

• Semaphore（信号量）：计数器 + 等待队列，支持 up/down 操作

  pub struct SemaphoreInner {
      pub count: isize,
      pub wait_queue: VecDeque<ThreadId>,
  }

  • down(tid): count 减 1，若 count < 0 则将 tid 加入等待队列，返回 false
  • up(): count 加 1，从等待队列弹出一个线程 ID 返回

• MutexBlocking（阻塞互斥锁）：实现 Mutex trait

  pub struct MutexBlockingInner {
      locked: bool,
      wait_queue: VecDeque<ThreadId>,
  }

  • lock(tid): 若已锁定则加入等待队列返回 false，否则获取锁返回 true
  • unlock(): 若等待队列非空则唤醒一个线程，否则释放锁

• Condvar（条件变量）：配合互斥锁使用

  pub struct CondvarInner {
      pub wait_queue: VecDeque<ThreadId>,
  }

  • wait_with_mutex(tid, mutex): 释放锁、加入等待队列、重新尝试获取锁
  • signal(): 从等待队列弹出一个线程 ID

这些同步原语返回 Option<ThreadId>，由调度器负责实际的唤醒操作（将线程从阻塞队列移回就绪队列）。

新增或更新的系统调用

依赖与配置

Features

Dependencies

练习

见 Exercise

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