Nachos-Lab1-完善线程机制
文章目錄
- Nachos是什么
- 目錄結(jié)構(gòu)
- 環(huán)境
- 源碼獲取
- 內(nèi)容一：總體概述
- 內(nèi)容二：任務完成情況
- 任務完成列表（Y/N）
- 具體Exercise的完成情況
- Exercise1 調(diào)研
- Exercise2 源代碼閱讀
- Exercise3 擴展線程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
- Exercise4 增加全局線程管理機制
- 內(nèi)容三：遇到的困難以及解決方法
- 困難1
- 困難2
- 內(nèi)容四：收獲及感想
- 內(nèi)容五：對課程的意見和建議
- 內(nèi)容六：參考文獻
Nachos是什么
Nachos (Not Another Completely Heuristic Operating System)，是一個教學用操作系統(tǒng)，提供了操作系統(tǒng)框架：
……
Nachos模擬了一個MIPS模擬器，運行用戶程序。
目錄結(jié)構(gòu)
. ├── COPYRIGHT ├── gnu-decstation-ultrix // 交叉編譯工具鏈 ├── nachos-3.4.zip // 未經(jīng)任何修改的源碼，實驗就是修改源碼完善各個模塊的功能 ├── README └── nachos-3.4 // 實驗過程中完善的代碼├── test // 該目錄下編寫用戶自己的程序，需要修改Makfile添加自己的文件├── bin // 用戶自己的程序需要利用coff2noff轉(zhuǎn)換，才能在nachos下跑起來├── filesys // 文件系統(tǒng)管理│ ├── directory.cc // 目錄文件，由目錄項組成，目錄項里記錄了文件頭所在扇區(qū)號│ ├── directory.h│ ├── filehdr.cc│ ├── filehdr.h // 文件頭數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過索引記錄了文件內(nèi)容實際存儲的所有扇區(qū)號│ ├── filesys.cc // 文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建/刪除/讀/寫/修改/重命名/打開/關(guān)別等接口│ ├── filesys.h│ ├── fstest.cc│ ├── Makefile│ ├── openfile.cc // 管理所有打開的文件句柄│ ├── openfile.h│ ├── synchdisk.cc // 同步磁盤類，加鎖保證互斥和文件系統(tǒng)的一致性│ ├── synchdisk.h│ └── test├── machine // 機器硬件模擬│ ├── console.cc // 終端│ ├── console.h│ ├── disk.cc // 磁盤│ ├── disk.h│ ├── interrupt.cc // 中斷處理器，利用FIFO維護一個中斷隊列│ ├── interrupt.h│ ├── timer.cc // 模擬硬件時鐘，用于時鐘中斷│ ├── timer.h│ ├── translate.cc // 用戶程序空間虛擬地址和物理之間的轉(zhuǎn)換類│ └── translate.h├── network // 網(wǎng)絡系統(tǒng)管理│ ├── Makefile│ ├── nettest.cc│ ├── post.cc│ ├── post.h│ └── README├── threads // 內(nèi)核線程管理│ ├── list.cc // 工具模塊 定義了鏈表結(jié)構(gòu)及其操作│ ├── list.h│ ├── main.cc // main入口，可以傳入argv參數(shù)│ ├── Makefile│ ├── scheduler.cc // 調(diào)度器，維護一個就緒的線程隊列，時間片輪轉(zhuǎn)/FIFO/優(yōu)先級搶占│ ├── scheduler.h│ ├── stdarg.h│ ├── switch.c // 線程啟動和調(diào)度模塊│ ├── switch.h│ ├── switch-old.s│ ├── switch.s // 線程切換│ ├── synch.cc // 同步與互斥，鎖/信號量/條件變量│ ├── synch.dis│ ├── synch.h│ ├── synchlist.cc // 類似于一個消息隊列│ ├── synchlist.h│ ├── system.cc // 主控模塊│ ├── system.h│ ├── thread.cc // 線程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)│ ├── thread.h│ ├── threadtest.cc │ ├── utility.cc│ └── utility.h├── userprog // 用戶進程管理│ ├── addrspace.cc // 為noff文件的代碼段/數(shù)據(jù)段分配空間，虛擬地址空間│ ├── addrspace.h│ ├── bitmap.cc // 位圖，用于管理扇區(qū)的分配和物理地址的分配│ ├── bitmap.h│ ├── exception.cc // 異常處理│ ├── Makefile│ ├── progtest.cc // 測試nachos是否可執(zhí)行用戶程序│ └── syscall.h // 系統(tǒng)調(diào)用└── vm // 虛擬內(nèi)存管理└── Makefile // 多線程編譯: make -j4└── Makefile.common // 各個模塊公共的Makefile內(nèi)容存放到這里面└── Makefile.dep // 依賴環(huán)境
選擇Linux或Unix系統(tǒng)，安裝32位GCC開發(fā)環(huán)境，安裝32的ubuntu。
源碼獲取
https://github.com/icoty/nachos-3.4-Lab
內(nèi)容一：總體概述
本次Lab針對的內(nèi)容是實現(xiàn)線程機制最基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——進程控制塊（PCB）。當一個進程創(chuàng)建時必然會生成一個相應的進程控制塊，記錄一些該線程特征，如進程ID、進程狀態(tài)、進程優(yōu)先級，進程開始運行時間，在cpu上已經(jīng)運行了多少時間，程序計數(shù)器，SP指針，根目錄和當前目錄指針，文件描述符表，用戶ID，組ID，指向代碼段、數(shù)據(jù)段和棧段的指針等（當然，Nachos簡化了進程控制塊的內(nèi)容）。實驗的主要內(nèi)容是修改和擴充PCB，主要難點在于發(fā)現(xiàn)修改PCB影響到的文件并進行修改。PCB是系統(tǒng)感知進程存在的唯一標志，且進程與PCB一一對應。可將PCB內(nèi)部信息劃分為：進程描述信息，進程控制信息，進程占有的資源和使用情況，進程的cpu現(xiàn)場。擴展字段如下：
內(nèi)容二：任務完成情況
任務完成列表（Y/N）
| 第一部分 | Y | Y | Y | Y |
具體Exercise的完成情況
Exercise1 調(diào)研
linux-4.19.23調(diào)研：Linux中的每一個進程由一個task_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述。task_struct也就是PCB的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。task_struct容納了一個進程的所有信息，linux內(nèi)核代碼中的task_struct在linux-4.19.23/include/linux/sched.h內(nèi)。
Linux內(nèi)核進程狀態(tài)：如下可分為運行態(tài)，可中斷和不可中斷態(tài)，暫停態(tài)，終止態(tài)，僵死狀態(tài)，掛起狀態(tài)等。
Linux內(nèi)核進程調(diào)度：sched_info數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括被調(diào)度次數(shù)，等待時間，最后一次調(diào)度時間。
vi linux-4.19.23/include/linux/sched.h：
時鐘與鎖：內(nèi)核需要記錄進程在其生存期內(nèi)使用CPU的時間以便于統(tǒng)計、計費等有關(guān)操作。進程耗費CPU的時間由兩部分組成：一是在用戶態(tài)下耗費的時間，一是在系統(tǒng)態(tài)下耗費的時間。這類信息還包括進程剩余的時間片和定時器信息等，以控制相應事件的觸發(fā)。
文件系統(tǒng)信息：進程可以打開或關(guān)閉文件，文件屬于系統(tǒng)資源，Linux內(nèi)核要對進程使用文件的情況進行記錄。
虛擬內(nèi)存信息：除了內(nèi)核線程，每個進程都擁有自己的地址空間，Linux內(nèi)核中用mm_struct結(jié)構(gòu)來描述。
物理頁管理信息：當物理內(nèi)存不足時，Linux內(nèi)存管理子系統(tǒng)需要把內(nèi)存中部分頁面交換到外存，并將產(chǎn)生PageFault的地址所在的頁面調(diào)入內(nèi)存，交換以頁為單位。這部分結(jié)構(gòu)記錄了交換所用到的信息。
多處理器信息：與多處理器相關(guān)的幾個域，每個處理器都維護了自己的一個進程調(diào)度隊列，Linux內(nèi)核中沒有線程的概念，統(tǒng)一視為進程。
處理器上下文信息：當進程因等待某種資源而被掛起或停止運行時，處理機的狀態(tài)必須保存在進程的task_struct，目的就是保存進程的當前上下文。當進程被調(diào)度重新運行時再從進程的task_struct中把上下文信息讀入CPU（實際是恢復這些寄存器和堆棧的值），然后開始執(zhí)行。
與Nachos的異同：Nachos相對于Linux系統(tǒng)的線程部分來講，要簡單許多。它的PCB僅有幾個必須的變量，并且定義了一些最基本的對線程操作的函數(shù)。Nachos線程的總數(shù)目沒有限制，線程的調(diào)度比較簡單，而且沒有實現(xiàn)線程的父子關(guān)系。很多地方需要完善。
Exercise2 源代碼閱讀
code/threads/main.cc：main.cc是整個nachos操作系統(tǒng)啟動的入口，通過它可以直接調(diào)用操作系統(tǒng)的方法。通過程序中的main函數(shù)，配以不同的參數(shù)，可以調(diào)用Nachos操作系統(tǒng)不同部分的各個方法。
code/threads/threadtest.cc：nachos內(nèi)核線程測試部分，Fork兩個線程，交替調(diào)用Yield()主動放棄CPU，執(zhí)行循環(huán)體，會發(fā)現(xiàn)線程0和線程1剛好是交替執(zhí)行。
int main(int argc, char **argv) {int argCount; // the number of arguments DEBUG('t', "Entering main");(void) Initialize(argc, argv); #ifdef THREADSfor (argc--, argv++; argc > 0; argc -= argCount, argv += argCount) {argCount = 1;switch (argv[0][1]) {case 'q':testnum = atoi(argv[1]);argCount++;break;case 'T':if(argv[0][2] == 'S')testnum = 3;break;default:testnum = 1;break;}}ThreadTest(); #endif…… }// threadtest.cc // 線程主動讓出cpu,在FIFO調(diào)度策略下能夠看到多個線程按順序運行 void SimpleThread(int which) {for (int num = 0; num < 5; num++) {int ticks = stats->systemTicks - scheduler->getLastSwitchTick();// 針對nachos內(nèi)核線程的時間片輪轉(zhuǎn)算法，判斷時間片是否用完，如果用完主動讓出cpuif(ticks >= TimerSlice){currentThread->Yield();}// 多個線程同時執(zhí)行該接口的話，會交替執(zhí)行，交替讓出cpu// currentThread->Yield();} }root@yangyu-ubuntu-32:/mnt/nachos-3.4/code/threads# root@yangyu-ubuntu-32:/mnt/nachos-3.4/code/threads# ./nachos -q 1 userId=0,threadId=0,prio=5,loop:0,lastSwitchTick=0,systemTicks=20,usedTicks=20,TimerSlice=30 userId=0,threadId=1,prio=5,loop:0,lastSwitchTick=20,systemTicks=30,usedTicks=10,TimerSlice=30 userId=0,threadId=0,prio=5,loop:1,lastSwitchTick=30,systemTicks=40,usedTicks=10,TimerSlice=30 userId=0,threadId=1,prio=5,loop:1,lastSwitchTick=40,systemTicks=50,usedTicks=10,TimerSlice=30 userId=0,threadId=0,prio=5,loop:2,lastSwitchTick=50,systemTicks=60,usedTicks=10,TimerSlice=30 userId=0,threadId=1,prio=5,loop:2,lastSwitchTick=60,systemTicks=70,usedTicks=10,TimerSlice=30 userId=0,threadId=0,prio=5,loop:3,lastSwitchTick=70,systemTicks=80,usedTicks=10,TimerSlice=30 userId=0,threadId=1,prio=5,loop:3,lastSwitchTick=80,systemTicks=90,usedTicks=10,TimerSlice=30 userId=0,threadId=0,prio=5,loop:4,lastSwitchTick=90,systemTicks=100,usedTicks=10,TimerSlice=30 userId=0,threadId=1,prio=5,loop:4,lastSwitchTick=100,systemTicks=110,usedTicks=10,TimerSlice=30 No threads ready or runnable, and no pending interrupts. Assuming the program completed. Machine halting!Ticks: total 130, idle 0, system 130, user 0 Disk I/O: reads 0, writes 0 Console I/O: reads 0, writes 0 Paging: faults 0 Network I/O: packets received 0, sent 0Cleaning up...code/threads/thread.h：這部分定義了管理Thread的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即Nachos中線程的上下文環(huán)境。主要包括當前線程棧頂指針，所有寄存器的狀態(tài)，棧底，線程狀態(tài)，線程名。當前棧指針和機器狀態(tài)的定義必須必須放作為線程成員變量的前兩個，因為Nachos執(zhí)行線程切換時，會按照這個順序找到線程的起始位置，然后操作線程上下文內(nèi)存和寄存器。在Thread類中還聲明了一些基本的方法，如Fork()、Yield()、Sleep()等等，由于這些方法的作用根據(jù)名字已經(jīng)顯而易見了，在此不再贅述。
code/threads/thread.cc： Thread.cc中主要是管理Thread的一些事務。主要接口如下：
- Fork(VoidFunctionPtr func,int arg)：func是新線程運行的函數(shù)，arg是func函數(shù)的入?yún)?#xff0c;Fork的實現(xiàn)包括分為幾步：分配一個堆棧，初始化堆棧，將線程放入就緒隊列。
- Finish()：不是直接收回線程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和堆棧，因為當前仍在這個堆棧上運行這個線程。先將threadToBeDestroyed的值設(shè)為當前線程，在Scheduler的Run()內(nèi)切換到新的線程時在銷毀threadToBeDestroyed。Yield()、Sleep()。這里實現(xiàn)的方法大多是都是原子操作，在方法的一開始保存中斷層次關(guān)閉中斷，并在最后恢復原狀態(tài)。
- Yield()：當前線程放入就緒隊列，從scheduler就緒隊列中的找到下一個線程上cpu，以達到放棄CPU的效果。
Exercise3 擴展線程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
Exercise4 增加全局線程管理機制
這里我把Exercise3和Exercise4放在一起完成。
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在Thread類中添加私有成員userId和threadId，添加公有接口getUserId()和getThreadId()，userId直接沿用Linux個getuid()接口。
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system.h內(nèi)部添加全局變量maxThreadsCount=128，全局數(shù)組threads[maxThreadsCount]，每創(chuàng)建一個線程判斷并分配threadId。
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-TS模仿Linux的PS命令打印所有線程信息，仔細閱讀list.cc代碼和scheduler.cc的代碼，就會發(fā)現(xiàn)可以直接用scheduler.cc::Print()接口，不用我們重新造輪子。
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在system.cc中的void Initialize(int argc, char argv)函數(shù)體對全局數(shù)組初始化。如下我用root用戶執(zhí)行分配的userId為0，切換到其他用戶userId會發(fā)生變化，線程id分別為0和1。當線程數(shù)超過128個線程時，ASSERT斷言報錯。
內(nèi)容三：遇到的困難以及解決方法
困難1
開始make編譯出錯，通過定位到具體行，復制出來手動執(zhí)行，發(fā)現(xiàn)是gcc交叉編譯工具鏈路徑不對。
困難2
剛開始修改代碼驗證效果，重定義錯誤，外部文件全局變量使用方式不對導致。
內(nèi)容四：收獲及感想
動手實踐很重要，不管你是做什么事、什么項目、什么作業(yè)，一定要落實到代碼和跑到程序上面來。絕知此事要躬行，學習來不得半點虛假。
內(nèi)容五：對課程的意見和建議
暫無。
內(nèi)容六：參考文獻
暫無。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的Nachos-Lab1-完善线程机制的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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