1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
|
# 原子操作与内存序 (Atomics & Memory Ordering)
## 1. 目标 (Objective)
为 LumeOS 在 RISC-V 弱内存模型 (RVWMO) 环境下提供一套安全、可控的原子操作库。本模块旨在通过封装 C++ `std::atomic` 风格的接口，强制开发者在进行无锁编程时显式考虑内存序 (Memory Ordering)，以避免因指令重排导致的、难以复现的并发 Bug。
## 2. 前置依赖 (Dependencies)
- **编译器支持：** 依赖 GCC/Clang 的 `__atomic_*` 内建函数。
## 3. 核心设计：`lume::atomic<T>`
### 3.1 问题背景：弱内存模型 (RVWMO)
RISC-V 采用弱内存模型，允许 CPU 和编译器进行激进的指令重排。在无锁数据结构（如 Per-CPU 缓存的无锁链表）中，如果仅使用简单的原子操作而没有指定正确的内存序，可能发生以下灾难：
- **场景：** CPU A 分配一个新节点 `node`，填充其数据 `node->data = val`，然后通过原子交换将其链接到链表头 `head.exchange(node)`。
- **风险：** CPU B 可能先观测到 `head` 指针的更新，但由于指令重排，`node->data` 的写入尚未对 CPU B 可见，导致 CPU B 读取到未初始化的垃圾数据。
`Spinlock` 内部的 `fence` 无法保护这种无锁路径。
### 3.2 解决方案：封装 `std::atomic` 风格接口
LumeOS 将提供 `lume::atomic<T>` 模板类，禁止直接使用 `__atomic_*` 内建函数。
1. **定义 `memory_order` 枚举：**
```cpp
// in include/lume/atomic.h
namespace lume {
enum memory_order {
relaxed = __ATOMIC_RELAXED,
consume = __ATOMIC_CONSUME,
acquire = __ATOMIC_ACQUIRE,
release = __ATOMIC_RELEASE,
acq_rel = __ATOMIC_ACQ_REL,
seq_cst = __ATOMIC_SEQ_CST
};
}
```
2. **创建 `lume::atomic<T>` 模板类：**
```cpp
// in include/lume/atomic.h
namespace lume {
template <typename T>
struct atomic {
T value;
T load(memory_order order = seq_cst) const {
return __atomic_load_n(&value, order);
}
void store(T desired, memory_order order = seq_cst) {
__atomic_store_n(&value, desired, order);
}
T fetch_add(T arg, memory_order order = seq_cst) {
return __atomic_fetch_add(&value, arg, order);
}
// ... 其他 fetch_*, exchange, compare_exchange_strong 等方法
};
}
```
3. **强制使用规范：**
在 `00_conventions.md` 中明确规定：所有在多核间无锁共享的数据（如 `Frame::refcount`，PCP 链表头指针），其类型**必须**是 `lume::atomic<T>`，严禁使用原生类型或 `volatile`。
**示例 (PMM):**
```cpp
// in mm/frame.h
#include <lume/atomic.h>
struct Frame {
lume::atomic<uint32_t> refcount;
// ...
};
```
## 4. 公共 API
`lume::atomic<T>` 的 API 设计将严格对齐 C++ 标准库的 `std::atomic<T>`，降低学习成本。
|
