面向高并发线上服务的RISC-V系统设计：边界、契约与演进

risczero-server/
├── CMakeLists.txt
├── riscv-emulator/          # RISC-V 模拟器核心
│   ├── cpu.cpp
│   ├── cpu.hpp
│   ├── bus.cpp
│   ├── bus.hpp
│   ├── csr.hpp
│   └── devices/             # 模拟硬件设备
│       ├── uart.cpp
│       ├── clint.cpp        # 核心本地中断器
│       └── virtio-net.cpp   # VirtIO网络设备
├── lib/                     # 服务核心库 (RISC-V目标)
│   ├── include/
│   │   ├── atomic.h         # RISC-V原子操作封装
│   │   ├── syscall.h        # 系统调用契约定义
│   │   └── coroutine.h      # 协程库头文件
│   └── src/
│       ├── coroutine.cpp    # 协程上下文切换(汇编+ C)
│       ├── scheduler.cpp    # 协程调度器
│       └── iouring_lite.cpp # 轻量级事件循环
├── app/                     # 示例应用
│   └── kv_service.cpp       # 高并发KV HTTP服务
├── tools/
│   └── build_riscv.sh       # RISC-V交叉编译脚本
├── config/
│   └── service.toml         # 服务配置文件
└── run.py                   # 主启动脚本

// cpu.hpp
#ifndef RISCV_CPU_HPP
#define RISCV_CPU_HPP

#include <cstdint>
#include <vector>
#include "bus.hpp"
#include "csr.hpp"

class CPU {
public:
    CPU(Bus& bus);
    void reset();
    int step(); // 执行一条指令，返回状态码
    void handle_interrupt();
    // ... 其他寄存器和方法
private:
    Bus& bus;
    uint64_t pc;
    std::array<uint64_t, 32> regs;
    CSRs csrs; // 控制和状态寄存器组

    // 内存原子操作（LR/SC指令核心）
    struct LR_SC_Reservation {
        uint64_t addr;
        uint64_t value;
        bool valid;
    } lr_sc_reservation;

    uint64_t load_reserved(uint64_t addr);
    bool store_conditional(uint64_t addr, uint64_t value);
    // ... 指令执行函数
};
#endif

// cpu.cpp (片段，展示原子指令和中断关键逻辑)
#include "cpu.hpp"
#include <iostream>

// LR (Load Reserved) 指令实现
uint64_t CPU::load_reserved(uint64_t addr) {
    if (!bus.check_alignment(addr, 8)) {
        // 触发地址错误异常
        return 0;
    }
    lr_sc_reservation.addr = addr;
    lr_sc_reservation.valid = true;
    lr_sc_reservation.value = bus.load_double(addr); // 读取并记录值
    return lr_sc_reservation.value;
}

// SC (Store Conditional) 指令实现
bool CPU::store_conditional(uint64_t addr, uint64_t value) {
    if (!lr_sc_reservation.valid || lr_sc_reservation.addr != addr) {
        return false; // 保留失效，存储失败
    }
    // 检查保留地址在此期间是否被其他Hart（或设备）修改
    // 简化模型：我们只检查总线是否有对该地址的写操作。实际硬件需要缓存一致性协议。
    if (bus.has_write_to(addr)) {
        lr_sc_reservation.valid = false;
        return false;
    }
    // 执行存储
    bus.store_double(addr, value);
    lr_sc_reservation.valid = false;
    return true; // 存储成功
}

// 单步执行，检查中断
int CPU::step() {
    // 1. 检查是否有待处理的中断 (MIP寄存器) 且全局中断使能 (MIE寄存器)
    if ((csrs.mie & csrs.mip) != 0 && (csrs.mstatus & MSTATUS_MIE)) {
        handle_interrupt();
        return 0;
    }
    // 2. 取指、译码、执行...
    uint32_t instr = bus.load_word(pc);
    // ... 译码逻辑 (这里省略庞大的switch-case)
    // 对原子指令AMOADD.W的模拟
    if ((instr & 0xF8000000) == 0x08000000) { // 简化匹配
        uint8_t rd = (instr >> 7) & 0x1F;
        uint8_t rs1 = (instr >> 15) & 0x1F;
        uint8_t rs2 = (instr >> 20) & 0x1F;
        uint64_t addr = regs[rs1];
        // 原子性地从addr加载，与regs[rs2]相加，然后存回，原值写入regs[rd]
        // 在模拟器中，我们可以通过锁实现原子性。真实硬件由缓存一致性保证。
        std::lock_guard<std::mutex> lock(bus.get_mutex_for_addr(addr));
        uint32_t old_val = bus.load_word(addr);
        uint32_t new_val = old_val + static_cast<uint32_t>(regs[rs2]);
        bus.store_word(addr, new_val);
        regs[rd] = static_cast<int64_t>(static_cast<int32_t>(old_val)); // 符号扩展
        pc += 4;
        return 0;
    }
    // ... 其他指令
    pc += 4;
    return 0;
}

// lib/include/atomic.h
#pragma once

#ifdef __riscv // 当使用RISC-V工具链编译时

// 使用RISC-V内联汇编实现原子操作
static inline uint32_t atomic_load_u32(const volatile uint32_t *ptr) {
    uint32_t value;
    __asm__ volatile("amoadd.w zero, %0, (%1)" : "=r"(value) : "r"(ptr) : "memory");
    // 使用amoadd.w加0实现原子加载
    return value;
}

static inline void atomic_store_u32(volatile uint32_t *ptr, uint32_t value) {
    __asm__ volatile("amoswap.w zero, %0, (%1)" : : "r"(value), "r"(ptr) : "memory");
}

// 比较并交换 (CAS) - 用户态无锁算法的核心
static inline int atomic_cas_u32(volatile uint32_t *ptr, uint32_t *expected, uint32_t desired) {
    uint32_t prev = *expected;
    int success;
    // LR/SC 序列
    __asm__ volatile(
        "0:                         \n"
        "   lr.w %0, (%2)           \n" // 加载保留
        "   bne  %0, %3, 1f         \n" // 与期望值比较
        "   sc.w %1, %4, (%2)       \n" // 条件存储
        "   bnez %1, 0b             \n" // 如果存储失败，重试
        "1:                         \n"
        : "+r"(prev), "=r"(success)
        : "r"(ptr), "r"(*expected), "r"(desired)
        : "memory");
    *expected = prev; // 返回实际读到的值
    return success == 0; // 成功返回1
}

#else
// 非RISC-V环境（如编译测试时）使用C++11原子
#include <atomic>
// ... (为简洁省略回退实现)
#endif

// lib/src/coroutine.cpp (上下文切换的RISC-V汇编部分)
#include "coroutine.h"
#include <cstdint>

// RISC-V 64位上下文切换
// 调用约定：a0保存当前协程上下文指针，a1保存要切换到的协程上下文指针
// 我们需要保存/恢复的寄存器: ra, sp, s0-s11 (callee-saved registers)
asm(
".global coroutine_switch    \n"
".type coroutine_switch, @function \n"
"coroutine_switch:           \n"
"   sd ra,  0*8(a0)         \n" // 保存返回地址
"   sd sp,  1*8(a0)         \n"
"   sd s0,  2*8(a0)         \n"
"   sd s1,  3*8(a0)         \n"
"   sd s2,  4*8(a0)         \n"
"   sd s3,  5*8(a0)         \n"
"   sd s4,  6*8(a0)         \n"
"   sd s5,  7*8(a0)         \n"
"   sd s6,  8*8(a0)         \n"
"   sd s7,  9*8(a0)         \n"
"   sd s8, 10*8(a0)         \n"
"   sd s9, 11*8(a0)         \n"
"   sd s10,12*8(a0)         \n"
"   sd s11,13*8(a0)         \n"
"                           \n"
"   ld ra,  0*8(a1)         \n" // 恢复目标协程上下文
"   ld sp,  1*8(a1)         \n"
"   ld s0,  2*8(a1)         \n"
"   ld s1,  3*8(a1)         \n"
"   ld s2,  4*8(a1)         \n"
"   ld s3,  5*8(a1)         \n"
"   ld s4,  6*8(a1)         \n"
"   ld s5,  7*8(a1)         \n"
"   ld s6,  8*8(a1)         \n"
"   ld s7,  9*8(a1)         \n"
"   ld s8, 10*8(a1)         \n"
"   ld s9, 11*8(a1)         \n"
"   ld s10,12*8(a1)         \n"
"   ld s11,13*8(a1)         \n"
"                           \n"
"   ret                    \n" // 返回到目标协程的ra地址
);

// lib/src/iouring_lite.cpp
#include "iouring_lite.h"
#include "atomic.h"
#include <cstring>

// 简化的提交队列项
struct SQEntry {
    uint8_t opcode;   // IO操作码，如READ, WRITE, ACCEPT
    int fd;
    void* buffer;
    size_t len;
    uint64_t user_data; // 关联的协程ID或回调数据
};

// 简化的完成队列项
struct CQEntry {
    uint64_t user_data;
    int32_t result;   // 执行结果，字节数或错误码
};

class IOURingLite {
public:
    IOURingLite(size_t entries) : sq_mask(entries-1), cq_mask(entries-1) {
        // 初始化队列。真实场景需要共享内存或mmap，这里简化。
        sq_entries = new SQEntry[entries];
        cq_entries = new CQEntry[entries];
        sq_head = sq_tail = 0;
        cq_head = cq_tail = 0;
        // 初始化自旋锁状态为0（未锁定）
        sq_lock = 0;
        cq_lock = 0;
    }

    ~IOURingLite() {
        delete[] sq_entries;
        delete[] cq_entries;
    }

    // 提交一个IO请求（协程调用）
    int submit_io(uint8_t opcode, int fd, void* buf, size_t len, uint64_t user_data) {
        uint32_t tail;
        // 使用原子操作获取下一个SQ尾部索引（生产者锁）
        do {
            tail = atomic_load_u32(&sq_tail);
            // 检查队列是否满 (简化检查，实际需考虑环)
            if ((tail - atomic_load_u32(&sq_head)) > sq_mask) {
                return -EAGAIN;
            }
        } while (!atomic_cas_u32(&sq_tail, &tail, tail + 1));

        // 写入SQ条目 (此时我们拥有这个槽位)
        uint32_t index = tail & sq_mask;
        sq_entries[index].opcode = opcode;
        sq_entries[index].fd = fd;
        sq_entries[index].buffer = buf;
        sq_entries[index].len = len;
        sq_entries[index].user_data = user_data;

        // 发布写入 (确保之前的存储对消费者可见)
        __atomic_store_n(&sq_entries[index].opcode, opcode, __ATOMIC_RELEASE);
        // 更新`sq_tail`的发布语义已由CAS保证

        // 通知内核/IO线程有新任务 (模拟方式：设置一个标志)
        // 在真实io_uring中，使用`io_uring_enter`系统调用。
        signal_io_worker();
        return 0;
    }

    // IO工作线程（模拟内核或独立线程）处理完成的IO
    void process_completions(void (*completion_callback)(uint64_t, int32_t)) {
        uint32_t head = atomic_load_u32(&cq_head);
        uint32_t tail = atomic_load_u32(&cq_tail);
        while (head != tail) {
            uint32_t index = head & cq_mask;
            CQEntry& cqe = cq_entries[index];
            // 确保读取到完整的CQE
            __atomic_thread_fence(__ATOMIC_ACQUIRE);
            if (completion_callback) {
                completion_callback(cqe.user_data, cqe.result);
            }
            head++;
            atomic_store_u32(&cq_head, head);
        }
    }

    // 内部：由IO工作线程调用，模拟完成一个IO
    void complete_io(uint64_t user_data, int32_t result) {
        uint32_t tail;
        do {
            tail = atomic_load_u32(&cq_tail);
            // 检查CQ是否满...
        } while (!atomic_cas_u32(&cq_tail, &tail, tail + 1));

        uint32_t index = tail & cq_mask;
        cq_entries[index].user_data = user_data;
        cq_entries[index].result = result;
        __atomic_store_n(&cq_entries[index].user_data, user_data, __ATOMIC_RELEASE);
        // 通知应用层有新的完成事件（例如，通过eventfd）
    }

private:
    SQEntry* sq_entries;
    CQEntry* cq_entries;
    uint32_t sq_mask, cq_mask;
    volatile uint32_t sq_head __attribute__((aligned(64))); // 缓存行对齐，减少伪共享
    volatile uint32_t sq_tail __attribute__((aligned(64)));
    volatile uint32_t cq_head __attribute__((aligned(64)));
    volatile uint32_t cq_tail __attribute__((aligned(64)));
    volatile uint32_t sq_lock; // 自旋锁，简化模型
    volatile uint32_t cq_lock;

    void signal_io_worker() {
        // 在模拟器中，可以设置一个设备寄存器标志。
        // 这里简化为一个函数调用。
        extern void notify_virtio_net(); // 假设通知网络设备处理
        notify_virtio_net();
    }
};

// app/kv_service.cpp
#include "scheduler.h"
#include "iouring_lite.h"
#include "http_parser.h" // 假设有一个简单的HTTP解析器
#include <map>
#include <string>
#include <shared_mutex>

class KVStore {
public:
    void set(const std::string& key, const std::string& value) {
        std::unique_lock lock(mutex_);
        store_[key] = value;
    }
    std::string get(const std::string& key) {
        std::shared_lock lock(mutex_);
        auto it = store_.find(key);
        return it != store_.end() ? it->second : "NOT_FOUND";
    }
private:
    std::map<std::string, std::string> store_;
    std::shared_mutex mutex_; // 读写锁，适合读多写少
};

KVStore global_kv_store;

// 每个连接一个协程
void handle_client(int client_fd, IOURingLite* ring) {
    char buffer[4096];
    HTTPParser parser;

    while (true) {
        // 异步读：协程挂起，直到数据可达
        int nread = co_await async_read(ring, client_fd, buffer, sizeof(buffer));
        if (nread <= 0) {
            break; // 连接关闭或错误
        }
        parser.feed(buffer, nread);
        if (parser.is_complete()) {
            auto req = parser.get_request();
            std::string response;

            if (req.method == "GET" && req.path.rfind("/key/", 0) == 0) {
                std::string key = req.path.substr(5);
                std::string value = global_kv_store.get(key);
                response = "HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Length: " +
                           std::to_string(value.size()) + "\r\n\r\n" + value;
            } else if (req.method == "POST" && req.path == "/key") {
                // 解析body (简化)
                global_kv_store.set(req.headers["X-Key"], req.body);
                response = "HTTP/1.1 201 Created\r\n\r\n";
            } else {
                response = "HTTP/1.1 404 Not Found\r\n\r\n";
            }
            // 异步写：协程再次挂起，直到数据发送
            co_await async_write(ring, client_fd, response.data(), response.size());
            parser.reset();
        }
    }
    close(client_fd); // 关闭连接
}

// 主监听协程
void listen_loop(int server_fd, IOURingLite* ring, Scheduler& scheduler) {
    while (true) {
        // 异步接受连接
        int client_fd = co_await async_accept(ring, server_fd);
        if (client_fd < 0) { continue; }
        // 为每个新连接创建一个新协程进行处理
        scheduler.spawn_coroutine([client_fd, ring]() {
            handle_client(client_fd, ring);
        });
    }
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    // 初始化组件
    Scheduler scheduler;
    IOURingLite ring(4096);
    // 启动一个后台线程处理ring的完成事件，并唤醒对应的协程
    std::thread io_worker([&ring, &scheduler]() {
        while (true) {
            ring.process_completions([&scheduler](uint64_t coro_id, int32_t res) {
                scheduler.resume_coroutine(coro_id, res);
            });
            // 休眠或等待通知
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1));
        }
    });

    // 创建TCP监听套接字 (模拟环境可能由"模拟器内核"提供)
    int server_fd = syscall_socket_listen(8080);
    if (server_fd < 0) { return 1; }

    // 启动监听协程
    scheduler.spawn_coroutine([server_fd, &ring, &scheduler]() {
        listen_loop(server_fd, &ring, scheduler);
    });

    // 主调度循环
    scheduler.run();
    io_worker.join();
    return 0;
}

# RiscZero 服务配置
[server]
listen_addr = "0.0.0.0"
listen_port = 8080
worker_coroutines = 10000      # 最大协程数（连接数）
io_uring_entries = 4096        # IO队列深度

[concurrency]
lock_type = "rwlock"           # 可选：spinlock, mutex, rwlock
use_rcu = false                # 是否启用RCU (读-拷贝-更新)

[logging]
level = "INFO"
output = "stderr"              # 或文件路径

[metrics]
enabled = true
port = 9090                    # Prometheus指标导出端口

#!/usr/bin/env python3
"""
RiscZero 项目启动脚本

1. 使用RISC-V工具链编译应用。
2. 启动RISC-V模拟器，加载应用镜像。
3. 连接虚拟网络设备。
"""
import subprocess
import sys
import os
import time
import toml
import argparse

def build_riscv_app(config):
    """交叉编译RISC-V应用"""
    print("[*] 构建RISC-V应用程序...")
    build_cmd = [
        "./tools/build_riscv.sh",
        config['server']['worker_coroutines']
    ]
    if subprocess.call(build_cmd) != 0:
        print("[!] 构建失败")
        sys.exit(1)

def run_emulator(app_path, config):
    """启动模拟器"""
    print("[*] 启动RISC-V模拟器...")
    # 模拟器命令行参数
    emu_cmd = [
        "./build/riscv-emulator",
        "--kernel", app_path,
        "--memory", "512M",
        "--net", "tap0",  # 虚拟网络接口
        "--config", "config/service.toml"
    ]
    # 启动模拟器进程
    proc = subprocess.Popen(emu_cmd, stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.STDOUT, text=True)
    # 输出模拟器日志
    try:
        for line in iter(proc.stdout.readline, ''):
            print(f"[EMU] {line.strip()}")
            if "Service listening on port" in line:
                print("[+] 服务启动成功！")
                # 可以在这里启动压测客户端...
    except KeyboardInterrupt:
        print("\n[*] 正在停止模拟器...")
        proc.terminate()
        proc.wait()
    return proc.returncode

def main():
    parser = argparse.ArgumentParser(description="启动RiscZero高并发服务")
    parser.add_argument("-c", "--config", default="config/service.toml", help="配置文件路径")
    args = parser.parse_args()

    # 加载配置
    with open(args.config, 'r') as f:
        config = toml.load(f)

    # 构建
    build_riscv_app(config)

    # 运行
    app_image = "./build/risczero_kv_service.bin"
    if not os.path.exists(app_image):
        print(f"[!] 应用镜像不存在: {app_image}")
        sys.exit(1)

    return run_emulator(app_image, config)

if __name__ == "__main__":
    sys.exit(main())

# 1. 安装RISC-V交叉编译工具链
sudo apt update
sudo apt install gcc-riscv64-linux-gnu g++-riscv64-linux-gnu

# 2. 安装必要的开发库和Python依赖
sudo apt install build-essential cmake libtoml-dev python3-pip
pip3 install toml

# 3. 克隆项目（假设）
git clone <repository-url> risczero-server
cd risczero-server

mkdir -p build && cd build
cmake .. -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release
make -j$(nproc)
cd ..

# 运行编译脚本，它内部调用riscv64-linux-gnu-g++
chmod +x ./tools/build_riscv.sh
./tools/build_riscv.sh 10000  # 参数：最大协程数
# 输出：./build/risczero_kv_service.bin

# 需要sudo权限，创建TAP设备，模拟器将通过它连接"网络"
sudo ip tuntap add name tap0 mode tap user $USER
sudo ip addr add 10.0.0.1/24 dev tap0
sudo ip link set tap0 up

# 使用主启动脚本
python3 run.py -c config/service.toml

# 在另一个终端，使用curl通过TAP设备IP访问服务
curl -v http://10.0.0.2:8080/key/mykey
# 预期返回: NOT_FOUND

curl -v -X POST -H "X-Key: mykey" -d "Hello RISC-V" http://10.0.0.2:8080/key
curl http://10.0.0.2:8080/key/mykey
# 预期返回: Hello RISC-V

// lib/test/test_atomic.cpp
#include "../include/atomic.h"
#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>

int main() {
    volatile uint32_t counter = 0;
    const int N = 100000;
    std::vector<std::thread> threads;
    for(int t = 0; t < 4; ++t) {
        threads.emplace_back([&counter, N]() {
            for(int i = 0; i < N; ++i) {
                uint32_t exp = counter;
                uint32_t des = exp + 1;
                while(!atomic_cas_u32(&counter, &exp, des)) {
                    des = exp + 1;
                }
            }
        });
    }
    for(auto& th : threads) th.join();
    if(counter == 4 * N) {
        std::cout << "PASS: Atomic CAS test. Counter = " << counter << std::endl;
        return 0;
    } else {
        std::cerr << "FAIL: Counter mismatch. Expected " << 4*N << ", got " << counter << std::endl;
        return 1;
    }
}

g++ -std=c++17 -I./lib/include -o test_atomic lib/test/test_atomic.cpp -lpthread
./test_atomic

# 在模拟器运行服务后，在宿主机上使用wrk (需要先安装wrk)
wrk -t4 -c100 -d30s http://10.0.0.2:8080/key/testkey
# 观察模拟器输出的QPS和错误率。主要验证协程调度和事件循环的基本正确性。