从零写OS（四十一）：TLB Shootdown —— 多核下的页表一致性

Thu, 04 Jun 2026 04:00:00 +0000

ch40 里 AP 还没开中断，原因是页表修改没有保护。这章解决这个问题：实现 TLB Shootdown，让多核下的页表修改安全可见。

问题：每颗 CPU 有自己的 TLB

TLB（Translation Lookaside Buffer）是每颗核心内置的页表缓存，把虚拟地址→物理地址的映射缓存起来，避免每次都走四级页表。

问题在于，当一颗核心修改了页表（比如 fork 的 CoW、exec 建立新地址空间），其他核心的 TLB 里可能还缓存着旧的映射：

CPU0 修改页表：VA 0x1000 → 新物理页 0xABCD000
CPU1 的 TLB：  VA 0x1000 → 旧物理页 0x1234000  ← 未失效！

CPU1 访问 VA 0x1000 → 访问了错误的物理页 → 数据错误

解决方法：修改页表后，给所有其他核心发一个 IPI，让它们执行 invlpg 使对应 TLB 条目失效。这个过程叫 TLB Shootdown。

实现

全局协调变量

volatile uint64_t tlb_shootdown_addr = 0;
volatile int      tlb_ack_count      = 0;

发起方（修改页表的核心）

void tlb_shootdown(uint64_t vaddr) {
    int online = ap_online_count;
    if (online <= 0) {
        // 单核路径，直接本地 invlpg
        __asm__ volatile("invlpg (%0)" :: "r"(vaddr) : "memory");
        return;
    }

    tlb_shootdown_addr = vaddr;
    __sync_synchronize();   // 写屏障：确保其他核能看到 addr

    tlb_ack_count = 0;
    __sync_synchronize();

    lapic_send_ipi_others(TLB_SHOOTDOWN_VECTOR);   // 广播 IPI

    while (tlb_ack_count < online)   // 等所有 AP 应答
        __asm__ volatile("pause");

    __asm__ volatile("invlpg (%0)" :: "r"(vaddr) : "memory");  // 本核也刷新
}

ap_online_count 只有在 AP 真正开中断后才增加，确保发 IPI 时 AP 能响应。

从零写OS（三十八）：SMP 启动 —— 唤醒第二颗 CPU

Thu, 04 Jun 2026 01:00:00 +0000

到目前为止，内核一直跑在单核上。这一章迈出多核的第一步：让所有 CPU 核心都进入内核。

验证结果：

[acpi] MADT found, 2 CPU(s)
[smp] booting AP lapic=1
[cpu0] online
[cpu1] online
[smp] all APs online, total CPUs=2
/ #

x86 多核启动的规则

x86 多核启动有一套固定规则。系统上电后只有一颗 CPU 跑起来，叫做 BSP（Bootstrap Processor）。其余的核心叫 AP（Application Processor），处于等待状态，需要 BSP 主动唤醒。

唤醒的方式是通过 LAPIC（Local APIC） 发送 IPI（Inter-Processor Interrupt）。每颗核心内置一个 LAPIC，是核间通信的硬件基础。

第一步：找到所有 CPU

CPU 的信息藏在 ACPI MADT 表里。MADT（Multiple APIC Description Table）是固件写好放在内存里的一张表，描述了系统上有多少颗 CPU 以及每颗 CPU 的 LAPIC ID。

内核启动时扫描 MADT，把所有有效 CPU 的 LAPIC ID 记下来：

void acpi_parse_madt(void) {
    madt_t *madt = acpi_find_table("APIC");
    // 遍历所有条目，找 type=0 的 Processor Local APIC 条目
    // 记录 lapic_id → cpu_lapic_ids[]，ncpus++
}

第二步：发送 INIT + STARTUP IPI

唤醒 AP 的序列是固定的（来自 Intel SDM）：

IPI on 大飞的博客