refactor(futex): 优化futex唤醒逻辑和共享键生成机制 (#1376)
- 重构futex等待唤醒逻辑，明确区分正常唤醒、超时和信号唤醒 - 引入SharedKeyKind枚举，改进共享futex键的生成方式 - 为AddressSpace添加全局唯一ID，支持私有匿名映射的跨线程同步 - 修复clear_child_tid唤醒逻辑，使用FUTEX_SHARED标志 - 更新测试用例，移除不再适用的阻塞项 Signed-off-by: longjin <longjin@DragonOS.org>
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5ca5c0cfd6
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20db99ff8f
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@ -174,10 +174,22 @@ pub struct FutexKey {
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key: InnerFutexKey,
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}
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/// 不同进程间通过文件共享futex变量，表明该变量在文件中的位置
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/// 共享 futex 的类型
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#[derive(Hash, PartialEq, Eq, Clone, Debug)]
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pub enum SharedKeyKind {
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/// 文件映射的 futex
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File { dev: u64, ino: u64 },
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/// 显式共享的匿名映射（MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS）
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SharedAnon { id: u64 },
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/// 私有匿名映射上的 FUTEX_SHARED（栈、堆等）
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/// 只能在同一进程的线程间同步
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PrivateAnonShared { as_id: u64 },
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}
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/// 不同进程间通过文件或共享内存共享futex变量
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#[derive(Hash, PartialEq, Eq, Clone, Debug)]
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pub struct SharedKey {
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i_seq: u64,
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kind: SharedKeyKind,
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page_offset: u64,
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}
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@ -310,51 +322,61 @@ impl Futex {
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drop(irq_guard);
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schedule(SchedMode::SM_NONE);
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// 被唤醒后的检查
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// ========== 被唤醒后的检查 ==========
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// 进程被唤醒可能有以下几种情况：
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// 1. futex_wake 显式唤醒（正常情况）- futex_q 已从队列移除
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// 2. 超时唤醒 - futex_q 仍在队列中
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// 3. 信号唤醒 - futex_q 仍在队列中
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// 4. 伪唤醒 - futex_q 仍在队列中
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let mut futex_map_guard = FutexData::futex_map();
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// 首先检查超时，优先级最高
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// 注意：必须在检查队列之前先检查超时，否则可能漏掉超时情况
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let is_timeout = timer.as_ref().is_some_and(|t| t.timeout());
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if is_timeout {
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// 超时唤醒：从队列中移除并返回 ETIMEDOUT
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if let Some(bucket_mut) = futex_map_guard.get_mut(&key) {
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bucket_mut.remove(futex_q.clone());
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}
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return Err(SystemError::ETIMEDOUT);
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}
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// 检查是否被正常唤醒（futex_wake）
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let bucket = futex_map_guard.get_mut(&key);
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let bucket_mut = match bucket {
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// 如果该pcb不在链表里面了或者该链表已经被释放，就证明是正常的Wake操作
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match bucket {
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Some(bucket_mut) => {
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if !bucket_mut.contains(&futex_q) {
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// 取消定时器任务
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// futex_q 不在队列中，说明被 futex_wake 正常唤醒
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if let Some(timer) = timer {
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timer.cancel();
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}
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return Ok(0);
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}
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// 非正常唤醒，返回交给下层
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bucket_mut
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// futex_q 仍在队列中，说明是信号或伪唤醒
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||||
// 从队列中移除
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bucket_mut.remove(futex_q.clone());
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}
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None => {
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||||
// 取消定时器任务
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||||
// 队列已被清空，说明被正常唤醒
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if let Some(timer) = timer {
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timer.cancel();
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}
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return Ok(0);
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}
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};
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// 如果是超时唤醒，则返回错误
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if timer.is_some() && timer.clone().unwrap().timeout() {
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bucket_mut.remove(futex_q);
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return Err(SystemError::ETIMEDOUT);
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}
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// TODO: 如果没有挂起的信号，则重新判断是否满足wait要求，重新进入wait
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drop(futex_map_guard);
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// 经过前面的几个判断，到这里之后，
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// 当前进程被唤醒大概率是其他进程更改了uval,需要重新去判断当前进程是否满足wait
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// 到这里之后，前面的唤醒条件都不满足，则是被信号唤醒
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// 需要处理信号然后重启futex系统调用
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// 取消定时器任务
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||||
// 取消定时器
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if let Some(timer) = timer {
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if !timer.timeout() {
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timer.cancel();
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}
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||||
timer.cancel();
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}
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// 检查是否有待处理的信号
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if ProcessManager::current_pcb().has_pending_signal() {
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return Err(SystemError::ERESTARTSYS);
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}
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Ok(0)
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@ -558,7 +580,8 @@ impl Futex {
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return Ok(key);
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}
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// 共享：区分文件映射与匿名共享映射
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// 共享：需要生成能跨进程匹配的键
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// 按照 Linux 语义，共享 futex 基于物理页帧号（PFN）或文件身份
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let address_space = AddressSpace::current()?;
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let as_guard = address_space.read();
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let vma = as_guard
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@ -576,44 +599,68 @@ impl Futex {
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let md = file.metadata()?;
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let dev = md.dev_id as u64;
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let ino = md.inode_id.into() as u64;
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let i_seq = (dev << 32) ^ ino;
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||||
let base_pgoff = vma_guard.file_page_offset().unwrap_or(0) as u64;
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||||
let shared = SharedKey {
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||||
i_seq,
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||||
kind: SharedKeyKind::File { dev, ino },
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||||
page_offset: base_pgoff + page_index,
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};
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let key = FutexKey {
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||||
ptr: 0,
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word: 0,
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||||
offset: offset as u32,
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||||
key: InnerFutexKey::Shared(shared.clone()),
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||||
key: InnerFutexKey::Shared(shared),
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};
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||||
return Ok(key);
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} else {
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// 匿名共享：使用共享匿名映射的稳定身份 + 页偏移
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// 匿名映射（包括栈、堆、匿名mmap等）
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if let Some(shared_anon) = &vma_guard.shared_anon {
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let i_seq = shared_anon.id;
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||||
// 显式共享的匿名映射（MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS）
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||||
let shared = SharedKey {
|
||||
i_seq,
|
||||
kind: SharedKeyKind::SharedAnon { id: shared_anon.id },
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||||
page_offset: page_index,
|
||||
};
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||||
let key = FutexKey {
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||||
ptr: 0,
|
||||
word: 0,
|
||||
offset: offset as u32,
|
||||
key: InnerFutexKey::Shared(shared.clone()),
|
||||
key: InnerFutexKey::Shared(shared),
|
||||
};
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||||
return Ok(key);
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||||
} else {
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||||
// 理论上不会发生；为安全起见，退化为私有键（不跨进程匹配）
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// 私有匿名映射（栈、堆等）+ FUTEX_SHARED 标志
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//
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// 按照 Linux 内核的实际实现（kernel/futex/core.c: get_futex_key）：
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// 对于匿名页的 FUTEX_SHARED，Linux 仍然使用 mm + 虚拟地址作为 key
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// （只是添加了一个 FUT_OFF_MMSHARED 标记）
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//
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// 这种设计的原因：
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// 1. 栈/堆这种私有匿名映射本质上不能跨进程共享
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// 2. 只能在同一进程的线程间同步（它们共享地址空间）
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// 3. 使用虚拟地址而非物理地址，与 swap 机制兼容
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//
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// DragonOS 的实现：
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// 使用 AddressSpace 的全局唯一 ID + 虚拟页号作为 shared key
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// - 同一进程的线程共享 AddressSpace，因此会生成相同的 key
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// - 不同进程的 AddressSpace 有不同的 ID，即使虚拟地址相同也不会冲突
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||||
// - AddressSpace ID 是递增分配的，永不重复，避免了地址重用问题
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let address_space = AddressSpace::current()?;
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let as_id = address_space.id();
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drop(vma_guard);
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||||
drop(as_guard);
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let shared = SharedKey {
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||||
kind: SharedKeyKind::PrivateAnonShared { as_id },
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||||
// 使用虚拟页号（不是物理页号！）
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page_offset: (address >> MMArch::PAGE_SHIFT) as u64,
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||||
};
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||||
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let key = FutexKey {
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||||
ptr: 0,
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word: 0,
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||||
offset: offset as u32,
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||||
key: InnerFutexKey::Private(PrivateKey {
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||||
address: address as u64,
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||||
address_space: Some(Arc::downgrade(&address_space)),
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||||
}),
|
||||
key: InnerFutexKey::Shared(shared),
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||||
};
|
||||
return Ok(key);
|
||||
}
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@ -62,20 +62,35 @@ pub const DEFAULT_MMAP_MIN_ADDR: usize = 65536;
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static LOCKEDVMA_ID_ALLOCATOR: SpinLock<IdAllocator> =
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||||
SpinLock::new(IdAllocator::new(0, usize::MAX).unwrap());
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||||
/// AddressSpace的全局唯一ID分配器
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||||
/// 用于为每个地址空间分配一个全局唯一且递增的ID
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||||
static ADDRESS_SPACE_ID_ALLOCATOR: AtomicU64 = AtomicU64::new(1);
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#[derive(Debug)]
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||||
pub struct AddressSpace {
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||||
/// 全局唯一的地址空间ID，用于标识不同的地址空间
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||||
/// 该ID在地址空间的整个生命周期内保持不变，且永不重复
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||||
id: u64,
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||||
inner: RwLock<InnerAddressSpace>,
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}
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impl AddressSpace {
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pub fn new(create_stack: bool) -> Result<Arc<Self>, SystemError> {
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let inner = InnerAddressSpace::new(create_stack)?;
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||||
let id = ADDRESS_SPACE_ID_ALLOCATOR.fetch_add(1, Ordering::Relaxed);
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||||
let result = Self {
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||||
id,
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||||
inner: RwLock::new(inner),
|
||||
};
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||||
return Ok(Arc::new(result));
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||||
}
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||||
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||||
/// 获取地址空间的全局唯一ID
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#[inline(always)]
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||||
pub fn id(&self) -> u64 {
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||||
self.id
|
||||
}
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||||
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||||
/// 从pcb中获取当前进程的地址空间结构体的Arc指针
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||||
pub fn current() -> Result<Arc<AddressSpace>, SystemError> {
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let vm = ProcessManager::current_pcb()
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@ -463,12 +463,10 @@ impl ProcessManager {
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// 按 Linux 语义：先清零 userland 的 *clear_child_tid，再 futex_wake(addr)
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unsafe { clear_user(addr, core::mem::size_of::<i32>()).expect("clear tid failed") };
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||||
if Arc::strong_count(&pcb.basic().user_vm().expect("User VM Not found")) > 1 {
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let _ = Futex::futex_wake(
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addr,
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FutexFlag::FLAGS_MATCH_NONE,
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1,
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||||
FUTEX_BITSET_MATCH_ANY,
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||||
);
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||||
// Linux 使用 FUTEX_SHARED 标志来唤醒 clear_child_tid
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||||
// 这允许跨进程/线程的同步（例如 pthread_join）
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let _ =
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||||
Futex::futex_wake(addr, FutexFlag::FLAGS_SHARED, 1, FUTEX_BITSET_MATCH_ANY);
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||||
}
|
||||
}
|
||||
compiler_fence(Ordering::SeqCst);
|
||||
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@ -479,6 +477,7 @@ impl ProcessManager {
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thread.vfork_done.as_ref().unwrap().complete_all();
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}
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drop(thread);
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||||
unsafe { pcb.basic_mut().set_user_vm(None) };
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||||
pcb.exit_files();
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||||
// TODO 由于未实现进程组，tty记录的前台进程组等于当前进程，故退出前要置空
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@ -1,2 +1 @@
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SharedPrivate/PrivateAndSharedFutexTest.WakeOpCondSuccess/*
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SharedPrivate/PrivateAndSharedFutexTest.WakeWrongKind*
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