异步驱动的线程安全

日期：2026-06-25 标签：rust, send, sync, atomic, thread-safety, uart

来源：第 2 站 Q&A + 第 3 站 AtomicWaker 部分。 范围：异步驱动跨线程安全性的两道防线。

两道防线

防线	作用	体现
Send/Sync	编译期检查所有权跨线程	AsyncUartDriver 类型标记
AtomicWaker	ISR 安全唤醒	3 个静态 waker

Send / Sync

Send/Sync 是 marker trait，编译期检查所有权跨线程。

Trait	含义	自动
Send	所有权可跨线程 move	大多数类型自动
Sync	&T 可跨线程共享	大多数类型自动

关系：T: Sync 当且仅当 &T: Send。

非 Send/Sync 的类型：

类型	Send	Sync	原因
Rc<T>	❌	❌	引用计数非原子
RefCell<T>	✅	❌	借用检查非线程安全
*mut T	❌	❌	裸指针无同步

本项目需要 unsafe impl：

unsafe impl<R, W, U> Send for AsyncUartDriver<R, W, U> {}
unsafe impl<R, W, U> Sync for AsyncUartDriver<R, W, U> {}

内部有 &'static U（裸引用）+ UnsafeCell（环缓冲），编译器无法自动推导。

实际安全的前提：

• U: Send + Sync（trait 约束）
• RingBufRx/Tx<W>: Send + Sync（unsafe impl）
• 原子类型天然 Send + Sync
• PhantomData<R>: Send + Sync

违反约束就编译失败，不是运行时崩溃。

AtomicWaker

embassy_sync::waitqueue::AtomicWaker 是 ISR 安全的唤醒类型。

pub static RX_WAKER: AtomicWaker = AtomicWaker::new();
pub static TX_WAKER: AtomicWaker = AtomicWaker::new();
pub static DRAIN_WAKER: AtomicWaker = AtomicWaker::new();

维度	AtomicWaker	通用 Waker
位置	静态全局	任务本地
ISR 唤醒	wake() O(1)	需查找
复杂度	O(1)	O(log n) BTreeMap
任务注册	任意任务	通过 register API

固定 3 个 waker 对应 3 个语义角色：RX（字节到达）、TX（THR 空）、DRAIN（tcdrain 完成）。不需要动态注册/注销。

通用 register_irq_waker 用 BTreeMap，每次唤醒需查找（O(log n)）。UART 只需固定 3 个 waker，AtomicWaker 更省查找（O17 反优化教训）。

用法

ISR 中唤醒：

fn uart_isr_handler(...) {
    let isr = regs.read_isr();
    match isr.interrupt_type() {
        Some(ReceivedDataReady) => {
            fn_disable_rx();
            RX_WAKER.wake();  // O(1) 原子操作
        }
        ...
    }
}

wake() 是原子操作，~50ns。

任务中注册（copier 任务的 poll_fn）：

RX_WAKER.register(cx.waker());

AtomicWaker.register 接受 &Waker，保存供 ISR 调用。