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锁使用约束与已知问题

ax-sync 统一了内核运行路径的锁原语与 lockdep 可见性。锁类型仍需与 IRQ、抢占、睡眠、用户内存访问和 I/O 边界匹配；以下内容记录当前约束和仍存在风险的代码路径。

背景​

早期清理外部 spin crate 的直接目标是消除第三方 spin::{Mutex,RwLock} 在内核锁依赖检查中的可见性缺口。现在第一方锁已统一进入 ax-sync 的 lockdep 路径，lock-lint 禁止旧锁 crate 和直接 spin 导入回退。

当时采用了保守策略：

  • spin::Mutex 按非睡眠自旋锁处理，迁移到 ax-sync 时逐点选择获取上下文，而不是机械迁移到 sleep Mutex。
  • 普通 SpinLock::lock() 存在同 CPU IRQ 重入风险时，使用 lock_irqsave()。
  • 对早期启动、rootfs 挂载、pseudofs 初始化等当前还不完全 sleepable 的路径，先保留非阻塞锁，避免 might_sleep() 在启动阶段直接 panic。

这些策略能解除当时的启动和调试阻塞，但并不意味着所有改成 IRQ-save 获取的锁都是合理的最终设计。特别是文件系统、VFS、块设备、用户内存访问和回调路径，只要持锁期间可能睡眠、重调度、触发 page fault、分配内存或执行 I/O，就不应该长期依赖自旋锁包住整段逻辑。

统一原则​

后续调整锁时按以下原则复查。

  1. 历史 spin::Mutex 的名字不能按 sleepable mutex 理解。它是忙等互斥锁，迁移时应先确认临界区是否真正允许睡眠。
  2. SpinLock::lock() 只关闭抢占，不关闭本地 IRQ。若锁可能在 IRQ handler、IRQ waker 或 IRQ-enabled 任务上下文之间共享，应优先怀疑同 CPU IRQ 重入死锁。
  3. SpinLock::lock_irqsave() 只解决 IRQ 重入风险。它仍然让代码处在原子上下文，不能包住会睡眠、重调度、fault user memory、执行 block I/O 或调用未知后端回调的逻辑。
  4. ax_sync::Mutex 适合需要 sleepable 互斥的路径，但不能在早期启动、IRQ-disabled、preempt-disabled 或其他原子上下文中随意使用。
  5. 改锁类型不是最终目标。更好的修复通常是缩小临界区、移出后端回调、移出用户内存访问、拆分粗粒度文件系统锁，或把初始化工作移动到正常任务上下文。
  6. lockdep subclass 只应用于同一抽象下的合法嵌套，不应掩盖真实 ABBA 顺序问题。
  7. 近期不以新增 RwLock 作为修复方向。现有 SpinRwLock 已纳入 lockdep；如果读写分离不是必要语义，仍应评估 mutex 化并避免扩大使用面。

已知风险路径​

区域当前状态风险后续方向
fs/ax-fs-ng/src/fs/fat/fs.rsFAT 主文件系统状态使用 IRQ-save SpinLock。read_at、write_at、append、set_len、sync 和目录操作会在持锁期间进入 fat，再到块设备 read_block / write_block / flush。这是粗文件系统锁包住 I/O 的典型问题。继续保持为已知技术债。后续应拆分 FAT 内部状态锁，避免持自旋锁进入块 I/O 和外部 sink callback；或者在 sleepable 任务上下文中使用 sleepable 锁。
fs/ax-fs-ng/src/fs/ext4/rsext4/fs.rsrsext4 主状态使用 IRQ-save SpinLock。sync_to_disk、读写、truncate、create、unlink、rename 等路径可能持锁执行 cache、journal、allocation 和 block-device 操作。不应再机械换成其他自旋锁。需要设计 ext4 粗锁拆分、I/O 外移或早期 rootfs 工作上下文调整。
fs/ax-fs-ng/src/fs/ext4/lwext4/fs.rslwext4 文件系统对象使用 IRQ-save SpinLock。多个 VFS 操作持锁进入 lwext4_rust，flush() 也直接在锁内调用后端 flush。与 rsext4 一起复查 ext4 系列锁策略，避免长期在原子上下文包住文件系统实现。
fs/axfs-ng-vfs/src/node/dir.rsdentry cache 使用 IRQ-save SpinLock，当前已缩小锁范围。旧问题是 cache guard 下调用 filesystem lookup、create、unlink、open_file 等后端操作。当前已调整为 VFS cache 锁内只访问 cache map，后端操作在锁外执行。保持当前边界。新增 dentry cache 路径时禁止在 cache guard 内调用后端 FS、socket、设备或用户态相关回调。
fs/axfs-ng-vfs/src/mount.rsmountpoint location / children / propagation / peer 关系使用 IRQ-save SpinLock，已缩小 bind mount 目标 dentry 锁范围。旧问题是 bind_mount() 在目标 mountpoint guard 下构造 bind mount、复制递归子 mount 并更新传播组。当前目标 dentry guard 只检查和安装 mountpoint slot；递归复制、传播组维护在该 guard 外执行。保持 mountpoint slot 锁只保护 slot 本身。后续新增 mount tree 逻辑时，不要在 dentry mountpoint guard 内做递归复制、传播组更新、后端 FS 调用或可能扩大的跨 mount 操作。
os/StarryOS/kernel/src/pseudofs/tmp.rstmpfs root、目录 entries、metadata 使用 facade 导出的 IRQ-save SpinLock，length / symlink 使用 sleep Mutex；read_dir() 已把 sink callback 移到 entries 锁外。tmpfs directory map 仍保留在自旋锁下，以兼容 inode release 和早期启动约束；当前 read_dir() 锁内只快照目录项，不再持 entries guard 调用外部 sink 或读取 inode metadata。继续保持 entries 锁内不做回调、不访问用户内存、不进入 VFS 后端。后续再评估 create/link/rename 的 HashMap 分配和跨目录锁顺序，暂不机械改成 sleepable mutex。
os/StarryOS/kernel/src/file/epoll.rsmode、interests、ready_queue 使用 IRQ-save SpinLock，ready queue fast path 已调整。旧问题是 ready_queue 可从 waker 路径入队，VecDeque::push_back 可能扩容。当前 EPOLL_CTL_ADD 预留 ready queue 容量，消费队列时保留全局 queue capacity，waker 入队只使用已有容量；容量意外不足时设置 overflow 标志，后续在 epoll_wait 任务上下文扫描恢复 ready 项。保持 waker fast path 不做堆扩容。PollSet::wake() 本身若进入 IRQ 路径仍属于更大范围的 poll/waker bridge 设计问题，后续单独审计。
os/StarryOS/kernel/src/pseudofs/dev/loop_block.rsloop block cache blocks 使用 IRQ-save SpinLock。当前临界区主要是 bounded memory copy，风险可控；但它处在 ext4 block-device 回调路径上，不能在锁内做 VFS writeback 或分配。继续保持锁内只做内存拷贝。若以后增加 writeback、动态扩容或 VFS 调用，必须重新设计。
os/StarryOS/kernel/src/pseudofs/dev/tty/terminal/mod.rswindow_size、termios 使用 IRQ-save SpinLock；job-control session / foreground 已合并为一个短状态锁。ioctl 路径先完成用户内存访问，再短暂持锁更新值；job-control 不再存在 foreground -> session 和 session -> foreground 的相反加锁顺序。保持“copy user 在锁外，锁内只拷贝小对象”的规则。job-control 复合状态继续用单锁保护，PollSet::wake() 放在锁外执行。
os/StarryOS/kernel/src/pseudofs/dev/tty/pty.rsPTY producer 使用 IRQ-save SpinLock。当前只在锁内 push_slice 到 4 KiB ring buffer，wake 在锁外。风险较低。保持短临界区。若未来 writer 可从 IRQ 直接进入或 buffer 需要扩容，应重新评估。
net/ax-net/src/unix/mod.rs已调整为从 VFS user_data 中 clone Arc<BindSlot> 后释放 guard，再调用 transport。旧问题是持 IRQ-save SpinLock guard 调用 socket transport，内部再拿 sleepable socket mutex。保持现有边界。新增 path socket 操作时禁止把 transport callback 放在 VFS user_data guard 内执行。
os/StarryOS/kernel/src/file/netlink.rs 和 os/StarryOS/kernel/src/file/packet.rs已调整为锁内取出消息或包，锁外 copy 到用户缓冲区。旧问题是持 IRQ-save SpinLock 时写用户内存，page fault 路径要求 IRQ enabled。保持“队列状态锁内移动数据，用户内存访问锁外执行”的规则。
fs/ax-fs-ng/src/highlevel/file.rsGLOBAL_CACHED_FILES 和 append_lock 已迁移到 ax-sync::SpinRwLock。读写锁现在进入统一 lockdep，但 append_lock 是否确实需要读写分离仍是历史延期问题。近期不引入新 RwLock。先确认是否必须读写分离；不必须的点评估 mutex 化。
os/StarryOS/kernel/src/file/mod.rs、task/mod.rs、task/ops.rs 等原外部 RwLock 已迁移到 Starry crate::sync facade；file/signalfd.rs 的 signal mask 使用 IRQ-save spin lock。锁已统一可见，但 FD table、task 状态等路径的粒度和顺序仍需按运行时重要性复查。能 mutex 化的先 mutex 化；必须使用 RwLock 的点保持通过 facade，禁止绕过统一入口。
drivers / portable crates 中的直接 spin第一方直接依赖和源码导入已清理。后续若 portable crate 绕回外部 spin，内核运行路径会重新形成 lockdep 盲区。依赖 lock-lint 防回退；新增 driver 锁时使用 ax-sync 或明确的 OS glue 同步抽象。

Atomic 使用准则​

适合使用 atomic：

  • 独立 bool、bit flag、计数器或 ID 分配器。
  • 不需要和其他字段保持一致的轻量状态。
  • fast path 去重位，但真实队列或 map 仍由锁保护。

不适合只用 atomic：

  • 多字段复合不变量。
  • 队列、map、slab、生命周期状态。
  • flag + data 发布协议但没有清晰 Acquire / Release 关系。
  • 需要和锁内数据保持一致的状态，例如队列成员关系、mount tree 关系、reclaim 全局状态。

边界规则​

以下问题已经有明确处理模式，后续改动应保持这些边界。

  • 用户内存访问不能放在 SpinLock guard 内。先从队列或状态中取出数据，释放 guard 后再 vm_read / vm_write / IoDst::write。
  • waker fast path 不应做可能分配的结构扩容。若必须从 IRQ wake 路径进入，应使用预分配、固定容量或延迟到任务上下文。
  • VFS cache / user_data guard 内不应执行文件系统、socket、设备等后端回调。应先复制出必要的 Arc 或小状态，再释放 guard。
  • 文件系统粗锁包住 block I/O 是当前最大的未完成项。把 lock() 改成 lock_irqsave() 只是关闭 IRQ 重入风险，不代表 I/O under spin lock 合理。
  • 早期启动阶段的 might_sleep() 误伤和真实运行期 atomic sleep bug 需要区分。长期方向是让启动阶段进入更清晰的 sleepability 状态，或把 rootfs / pseudofs 初始化移动到正常任务上下文。
  • might_sleep() 已纳入显式 IRQ context，并能在 lockdep 构建下输出 held-lock stack。锁策略调整应消除 spin guard 内的 fault、alloc、I/O 和 callback，而不是依赖诊断机制兜底。

复查命令​

第一方直接 spin 复查；结果应为空（历史文档和 lock-lint 规则字符串除外）：

rg -n "use spin|extern crate spin|spin::" \
  --glob '*.rs' --glob '!target/**'

自旋锁获取上下文复查：

rg -n "lock_irqsave\(|lock_raw\(|try_lock_irqsave\(|try_lock_raw\(" \
  --glob '*.rs' --glob '!target/**'

可能在自旋锁内执行用户内存访问或回调的路径，不能只靠 rg 判定。建议从以下入口做人工复查：

  • fs/axfs-ng-vfs/src/node/dir.rs
  • fs/axfs-ng-vfs/src/mount.rs
  • fs/ax-fs-ng/src/fs/
  • fs/ax-fs-ng/src/highlevel/file.rs
  • os/StarryOS/kernel/src/file/epoll.rs
  • os/StarryOS/kernel/src/file/netlink.rs
  • os/StarryOS/kernel/src/file/packet.rs
  • os/StarryOS/kernel/src/pseudofs/tmp.rs
  • os/StarryOS/kernel/src/pseudofs/dev/loop_block.rs