Lab 03: 环形缓冲、阻塞等待与防丢失唤醒的具名管道 IPC¶

1. 实验目标¶

掌握线程安全定长环形缓冲区（Ring Buffer）的数学取模与空/满判断原理。
深刻理解操作系统中经典的 “丢失唤醒（Lost Wakeup）” 隐患及其在自旋锁与睡眠条件等待中的原子解法。
掌握进程间通信（IPC）中的 Short I/O、EOF 传递与断管（Broken Pipe）异常状态流转。

2. 环形缓冲管道拓扑与数据结构¶

RVKernel 支持最多 8 个独立具名管道，每个管道维护 256 字节的单向环形缓冲队列：

flowchart LR
    subgraph RingBuffer["256 字节环形缓冲区 (buf[256])"]
        direction LR
        Head["read_pos (读游标)"] --> Occupied["有效数据载荷 (len 字节)"]
        Occupied --> Tail["write_pos (写游标)"]
        Tail --> FreeSpace["剩余可用空闲空间 (256 - len)"]
    end

    Writer["生产者进程 (pipe_write)"] -->|"写入"| Tail
    Head -->|"读取"| Reader["消费者进程 (pipe_read)"]

struct pipe {
    struct spinlock lock;    /* 保护该管道内部字段的自旋锁 */
    bool in_use;             /* 管道分配标记 */
    int read_open_count;     /* 处于打开状态的读端文件描述符计数 */
    int write_open_count;    /* 处于打开状态的写端文件描述符计数 */
    size_t read_pos;         /* 读指针偏移量: (read_pos + 1) % 256 */
    size_t write_pos;        /* 写指针偏移量: (write_pos + 1) % 256 */
    size_t len;              /* 当前有效字节数 (0 ~ 256) */
    uint8_t buf[256];        /* 定长数据存储区 */
};

3. 阻塞睡眠与防“丢失唤醒”（Lost Wakeup）¶

如果一个进程在检查“管道是否为空”并决定“去睡眠”之间被中断或抢占，唤醒事件可能会在进程真正进入睡眠状态前夕到达并消失，导致进程永久沉睡。

sequenceDiagram
    autonumber
    participant Reader as 读进程 (Reader)
    participant PipeLock as 管道锁 (pipe->lock)
    participant ProcLock as 进程锁 (proc->lock)
    participant Sched as 调度器 (scheduler)
    participant Writer as 写进程 (Writer)

    Reader->>PipeLock: acquire(&pipe->lock)
    Note over Reader: 检查 len == 0 (管道空)
    Reader->>Reader: 调用 sleep(&pipe->read_pos, &pipe->lock)

    rect rgb(240, 248, 255)
    Note over Reader: 【原子锁交接顺序】
    Reader->>ProcLock: 1. acquire(&proc->lock)
    Reader->>PipeLock: 2. release(&pipe->lock) (安全释放外部条件锁!)
    Note over Reader: 3. proc->state = PROC_BLOCKED<br/>proc->wait_channel = chan
    Reader->>Sched: 4. switch_context() 切出 CPU
    end

    Writer->>PipeLock: 写入数据，触发 wakeup(&pipe->read_pos)
    Note over Writer: 遍历所有 wait_channel == chan 的进程并置为 PROC_RUNNABLE
    Sched->>Reader: Reader 被唤醒切回
    Reader->>ProcLock: release(&proc->lock)
    Reader->>PipeLock: 重新 acquire(&pipe->lock)
    Note over Reader: 重新进入循环检查 len > 0 (防御虚假唤醒 Spurious Wakeup)

Note

锁交接（Lock Handover）原则：必须先持有目标进程本身的 proc->lock，然后才能释放外层的 pipe->lock。这一步保证了写进程在 wakeup 时如果看到了 pipe->lock 已释放，读进程必然已经完成了等待通道（wait_channel）的注册，避免唤醒事件发生在等待状态登记之前。

4. 动手实操与实验验收¶

启动并运行自测：
```
bash run.sh
```
执行全量测试：
```
$ selftest
```
查看测试报告输出：
管道测试会自动拉起两个工作子进程，通过管道连续推送并校验 3 KiB 随机数据（远超 256B 缓冲区单次容量）；
检验在经历多次环形回绕、阻塞暂停、短读取（Short I/O）与读写端关闭后，数据 CRC 与 EOF 标志严格无误。