LAB1 線程機制和線程調度實現(xiàn)

任務完成情況

任務Y/N

調研Linux的PCB	Y
Exercise1 源代碼閱讀	Y
Exercise2 擴展線程的數(shù)據(jù)結構	Y
Exercise3 增加全局線程管理機制	Y
Exercise4 源代碼閱讀	Y
Exercise5 實現(xiàn)優(yōu)先級搶占調度算法	Y
*Chalenge 實現(xiàn)時間片輪轉算法	Y

調研Linux的進程控制塊

五個互斥狀態(tài)

狀態(tài)描述

TASK_RUNNING	表示進程正在執(zhí)行，或者已經(jīng)準備就緒，等待處理機調度
TASK_INTERRUPTIBLE	表示進程因等待某種資源而被掛起（阻塞態(tài)），一旦資源就緒，進程就會轉化為TASK_RUNNING態(tài)
TASK_UNINTERRUPTIBLE	與TASK_INTERRUPTIBLE狀態(tài)類似，同樣表示進程因等待某種資源而阻塞。二者唯一的區(qū)別在于：前者可以通過一些信號或者外部中斷來喚醒，而后者只能通過等待的資源就緒被喚醒。這種狀態(tài)很少被用到，但是不代表它沒有用，實際上這種狀態(tài)很有用，特別是對于驅動刺探相關的硬件過程至關重要。
TASK_STOPPED	進程被停止執(zhí)行，當進程接收到SIGSTOP、SIGTTIN、SIGTSTP或者SIGTTOU信號之后就會進入該狀態(tài)
TASK_TRACED	表示進程被debugger等進程監(jiān)視，進程執(zhí)行被調試程序所停止，當一個進程被另外的進程所監(jiān)視，每一個信號都會讓進城進入該狀態(tài)

兩個終止狀態(tài)

狀態(tài)描述

EXIT_ZOMBIE	僵尸進程是當子進程比父進程先結束，而父進程又沒有回收子進程，釋放子進程占用的資源，此時子進程將成為一個僵尸進程。如果父進退出 ，子進程被init接管，子進程退出后init會回收其占用的相關資源，但如果父進程不退出，子進程所占有的進程ID將不會被釋放，如果系統(tǒng)中僵尸進程過多，會占用大量的PID，導致PID不足，這是僵尸進程的危害，應當避免
EXIT_DEAD	進程正常結束的最終狀態(tài)

進程的轉換過程

調度策略

字段	描述	所在調度器類
SCHED_NORMAL	（也叫SCHED_OTHER）用于普通進程，通過CFS調度器實現(xiàn)。SCHED_BATCH用于非交互的處理器消耗型進程。SCHED_IDLE是在系統(tǒng)負載很低時使用	CFS
SCHED_BATCH	SCHED_NORMAL普通進程策略的分化版本。采用分時策略，根據(jù)動態(tài)優(yōu)先級(可用nice()API設置），分配 CPU 運算資源。注意：這類進程比上述兩類實時進程優(yōu)先級低，換言之，在有實時進程存在時，實時進程優(yōu)先調度。但針對吞吐量優(yōu)化	CFS
SCHED_IDLE	優(yōu)先級最低，在系統(tǒng)空閑時才跑這類進程(如利用閑散計算機資源跑地外文明搜索，蛋白質結構分析等任務，是此調度策略的適用者）	CFS
SCHED_FIFO	先入先出調度算法（實時調度策略），相同優(yōu)先級的任務先到先服務，高優(yōu)先級的任務可以搶占低優(yōu)先級的任務	RT
SCHED_RR	輪流調度算法（實時調度策略），后者提供 Roound-Robin 語義，采用時間片，相同優(yōu)先級的任務當用完時間片會被放到隊列尾部，以保證公平性，同樣，高優(yōu)先級的任務可以搶占低優(yōu)先級的任務。不同要求的實時任務可以根據(jù)需要用sched_setscheduler()API 設置策略	RT
SCHED_DEADLINE	新支持的實時進程調度策略，針對突發(fā)型計算，且對延遲和完成時間高度敏感的任務適用?；贓arliest Deadline First (EDF) 調度算法

Linux與Nachos的異同

Linux中的task_struct

PID

特征信息(name, tID, tgID等)

進程狀態(tài)

優(yōu)先級

通信狀態(tài)

現(xiàn)場保護區(qū)

資源需求、分配控制信息

進程實體信息

其他（工作單位、工作區(qū)、文件信息）

Nachos中的PCB實現(xiàn)

成員變量描述

name	進程名字
status	進程狀態(tài)
machineState	寄存器狀態(tài)
stackTop	棧頂
stack	棧底

異同

Nachos是一個羽量級的Linux（這么說是不嚴謹?shù)?#xff0c;因為Nachos很多接口和Linux不同，典型例子–Fork())，Nachos很多功能待完善。

Exercise1 源代碼閱讀

main.cc

從注釋可以看出，main()的作用是引導操作系統(tǒng)內核/檢查命令行參數(shù)/初始化數(shù)據(jù)結構/調用測試流程（可選）。

方法描述

DEBUG(char flag, char *format, …)	如果啟用了該標志（flag），則打印一條調試消息。像printf一樣，只是在前面多了一個額外的參數(shù)
Initialize(int argc, char **argv)	初始化Nachos全局數(shù)據(jù)結構。解釋命令行參數(shù)，以確定用于初始化的標志。“ argc”是命令行參數(shù)的數(shù)量（包括名稱）；“ argv”是一個字符串數(shù)組，每個命令行參數(shù)占argv中的一個位置
ThreadTest()	調用某個測試流程，可以在case中自定義。

ThreadTest.cc

變量/方法描述

testnum	測試編號，可以在命令行中輸入./nachos -q testnum，以執(zhí)行對應的測試流程
SimpleThread(int which)	循環(huán)5次，每次迭代都會讓出CPU給另外一個就緒進程，which是用來標識線程的簡單標志，可用于調試。
ThreadTest1()	通過派生一個線程調用SimpleThread，然后自己調用SimpleThread，在兩個線程交替執(zhí)行
ThreadTest()	根據(jù)testnum調用對應的測試流程

thread.h/thread.cc

宏描述

MachineStateSize	上下文切換時需要保存的CPU寄存器狀態(tài)，SPARC和MIPS僅需要10個，而Snake需要18個，為了能夠在每個系統(tǒng)上執(zhí)行，取值18。
StackSize	線程執(zhí)行的私有?？臻g大小，大小為4096個字(in words, not Bytes）。
ThreadStatus	枚舉了線程的狀態(tài)：JUST_CREATED(創(chuàng)建）, RUNNING(執(zhí)行), READY(就緒），BLOCKED(阻塞)。
STACK_FENCEPOST	將其放在執(zhí)行堆棧的頂部，以檢測堆棧溢出，值為0xdeadbeef

成員變量/方法描述

stackTop	當前線程的棧頂指針
machineState	棧頂指針所需要的所有寄存器，全部保存在該數(shù)組中
Thread::Thread(char *debugName)	初始化線程控制塊，以便我們可以調用Thread::Fork。"threadName"是任意字符串，可用于調試。
Thread::~Thread()	取消分配線程。 注意：當前線程不能直接刪除自身， 由于它仍在堆棧中運行，因此我們還需要刪除它的堆棧。注意：如果這是主線程，則由于未分配堆棧，因此無法刪除堆棧-在啟動Nachos時會自動獲取堆棧。
Thread::Fork(VoidFunctionPtr func, void *arg)	調用(* func)(arg)，允許調用方和被調用方并發(fā)執(zhí)行。注意：盡管定義只允許將單個整數(shù)參數(shù)傳遞給過程，但是可以通過將多個參數(shù)設為結構的字段，并將指針作為“ arg”傳遞給該結構來傳遞多個參數(shù)?？梢园匆韵虏襟E實現(xiàn)：1.分配堆棧2.初始化堆棧，以便對SWITCH的調用將使其運行3.將線程放在就緒隊列中“ func”是要同時運行的過程。“ arg”是要傳遞給該過程的單個參數(shù)。
Thread::CheckOverflow()	檢查線程的堆棧，以查看其是否超出了為其分配的空間。注意：Nachos不會捕獲所有堆棧溢出條件。 換句話說，程序可能仍會由于溢出而崩潰。如果得到奇怪的結果（例如沒有代碼的段錯誤），那么可能需要增加堆棧大小?？梢酝ㄟ^不在堆棧上放置大型數(shù)據(jù)結構來避免堆棧溢出。(不要這樣做：void foo（）{int bigArray [10000]; …}
Thread::Finish ()	線程完成分叉過程時，由ThreadRoot調用Thread::Finish。注意：系統(tǒng)不會立即取消分配線程數(shù)據(jù)結構或執(zhí)行堆棧，因為線程仍在堆棧中運行！相反，系統(tǒng)設置“ threadToBeDestroyed”，以便一旦系統(tǒng)在其他線程的上下文中運行，Scheduler::Run()將調用析構函數(shù)。 注意：該操作為原子操作，禁止中斷。
Thread::Yield ()	如果有其他就緒線程，讓出CPU，再將該線程添加到就緒列表的末尾，以便最終對其進行重新調度。 注意：此操作為原子操作，禁止中斷。
Thread::Sleep ()	放棄CPU，因為當前線程在等待同步變量（信號量，鎖定或條件）時被阻塞。最終，某個線程將喚醒該線程，并將其放回到就緒隊列中，以便可以對其進行重新調度。
Thread::StackAllocate (VoidFunctionPtr func, void *arg)	分配并初始化執(zhí)行堆棧。堆棧使用ThreadRoot的初始堆?？蚣艹跏蓟?#xff0c;該框架如下： 啟用中斷 通話(* fun)(carg)調用Thread::Finish

Exercise2 擴展線程的數(shù)據(jù)結構

為了增加用戶ID和線程ID，在thread.h中新增uID和tID兩個變量，在system.h/system.cc中新增一個大小為128的數(shù)組isAllocatable[128],并在initialize()方法中對其初始化為全0，確保每次nachos執(zhí)行時該數(shù)組會被初始化。最后增加一個變量threadCount用于記錄線程數(shù)，初始化為0。

維護tID

在Thread::Thread()方法中遍歷isAllocatable數(shù)組，將第一個遇到的未分配的線程ID分配給當前線程，同時threadCount增加1。

在Thread::~Thread()方法中將isAllocatable[this->tID]重新置為0，然后令threadCount減少1。

維護uID

與同學討論之后我們認為nachos沒有維護用戶ID的條件，因此我將uID設為一個默認值0。如果要維護uID，應該增加在登錄時輸入用戶名和密碼的功能，并建立用戶名和uID的映射關系。

Exercise3 增加全局線程管理機制

使nachos中最多存在128個線程

在調用thread::thread()方法之前先檢查threadCount的值是否小于128，如果是，代表還能夠繼續(xù)分配線程；如果不是，代表已經(jīng)達到線程數(shù)量的最大值，屏幕打印錯誤信息。

仿照Linux中PS命令，增加一個功能TS(Threads Status)，能夠顯示當前系統(tǒng)中所有線程的信息和狀態(tài)

算法思想

題目的要求是在terminal中輸入./nacos -TS能夠打印出線程的信息，為了實現(xiàn)這一功能，應該在shell中增加一個"-TS"的判斷。如果用戶輸入了./nacos -TS那么調用TS()方法。但是鑒于現(xiàn)在的能力不足，暫時先用一個TS方法代替，等以后實現(xiàn)了shell之后再來實現(xiàn)這個功能。

定義Thread* threadPtr[128]

在system.h/system.cc中新增一個大小為128的類型為Thread*的數(shù)組threadPtr，在initialize()中初始化為NULL。其作用是建立線程指針和tID之間的映射關系(map)。維護方法和isAllocatable類似，在Thread::Thread()方法中，每分配一個tID就讓threadPtr[tID] = this。在Thread::~Thread()方法中令threadPtr[tID] = NULL。

定義TS()方法

在ThreadTest.cc中定義TS()方法，遍歷isAllocatable數(shù)組，每當遇到非零的元素時，通過threadPtr找到其對應的線程指針，屏幕打印其對應的uID/tID/name/status。

成果演示

我在threadTest.cc中new了130個線程，然后讓它們交替執(zhí)行兩次，最后調用TS方法查看線程的信息，在terminal中輸入./nachos -q 2后，執(zhí)行結果如下：

Exercise4 源代碼閱讀

scheduler.h/scheduler.cc

成員方法描述

Scheduler::Scheduler()	初始化就緒隊列
Scheduler::~Scheduler()	釋放就緒隊列
Scheduler::ReadyToRun (Thread *thread)	將線程加入就緒隊列隊尾
Scheduler::FindNextToRun ()	返回就緒隊列隊首線程，若隊列為空，返回NULL
Scheduler::Run (Thread *nextThread)	將CPU分配給nextThread。保存舊線程的狀態(tài)，并加載新線程的狀態(tài)，通過調用機器依賴上下文切換例程SWITCH。注意：threadToBeDestroyed是正在等待釋放的線程，因為它們不能自己釋放自己，所以必須通過除自己之外的線程來釋放。
Scheduler::Print()	打印就緒隊列，用于調試

timer.h/timer.cc

成員變量/方法描述

randomize	設置是否需要使用隨機時間片
handler	計時器中斷處理程序
arg	中斷處理函數(shù)所需要的參數(shù)
Timer::Timer()	初始化一個Timer。包括時間中斷處理函數(shù)及其參數(shù)，以及一個可選的隨機時間片標記
Timer::TimerExpired()	安排下一次中斷的時間，并調用中斷處理函數(shù)
Timer::TimeOfNextInterrupt()	返回時間片大小

在 Timer 的初始化函數(shù)中，借用 TimerHandler 成員函數(shù)而不直接用初始 化函數(shù)中的 timerHandler 參數(shù)作為中斷處理函數(shù)的原因：如果直接使用 timerHandler 作為時鐘中斷處理函數(shù)，一旦中斷時刻到來，立即進行中斷處理，處理結束后來不及將下一個時鐘中斷插入到等待處理中斷隊列。 TimerHandler 內部函數(shù)正是處理這個問題。當時鐘中斷時刻到來時，調用 TimerHandler 函數(shù)， 其調用 TimerExpired 方法，該方法將新的時鐘中斷插入到等待處理中斷隊列中，然后再調用 真正的時鐘中斷處理函數(shù)。這樣 Nachos 就可以定時的收到時鐘中斷。

那么為什么不將TimerExpired方法作為時鐘中斷在Timer的初始化函數(shù)中調用呢？這是由于 C++語言不能直接引用一個類成員方法的指針，所以借用 TimerHandler 內部函數(shù)。這也是 TimerExpired 必須設計成 public 的方法的原因，因為它要被 TimerHandler 調用。

參考資料：《Nachos中文教程》

在nachos中已經(jīng)實現(xiàn)了一個模擬計時器Timer，它的作用為：每隔一段時間會產生一次時間中斷。需要注釋掉system.cc里面的if(ramdomyeild)來初始化一個Timer，interrupt.cc::scheduler()方法表明系統(tǒng)會每隔一個時間片來安排一次時間中斷，然后調用時間中斷處理函數(shù)。 具體的實現(xiàn)機理：系統(tǒng)初始化一個Timer，調用Interrupt::Schedule來創(chuàng)建一個名為toOccur的延遲中斷對象，并將其插入中斷隊列中，表示在既定的延遲時間之后，會產生中斷，并調用中斷處理函數(shù)。在調用了中斷處理函數(shù)之后，會將 yieldOnReturn標記設為true，表在中斷處理函數(shù)結束之后會在OneTick()方法中執(zhí)行進程切換。

switch.s

圖源：https://blog.csdn.net/ShiningStarPxx/article/details/7456840

SWITCH函數(shù) Nachos 中系統(tǒng)線程的切換是借助宿主機的正文切換。SWITCH 函數(shù)就是完成線程切換的功 能。SWITCH 的語法是這樣的： void SWITCH (Thread *t1, Thread *t2); 其中 t1 是原運行線程指針，t2 是需要切換到的線程指針。線程切換的三步曲是： 保存原線程上下文->恢復新線程的上下文->在新線程的棧空間繼續(xù)運行。

參考資料：《Nachos中文教程》

Exercise5 實現(xiàn)優(yōu)先級搶占調度算法

算法思想

題目要求實現(xiàn)優(yōu)先級搶占算法，顧名思義，當線程被創(chuàng)建時，應該與currentThread比較，如果優(yōu)先級高于currentThread，應該剝奪，否則，按照優(yōu)先級插入readyList。這些修改都應該寫在Scheduler::ReadyToRun方法中。

新增變量/語句

位置新增變量/語句描述

thread.h	prio	線程優(yōu)先級（值越小代表優(yōu)先級越高）
Scheduler::ReadyToRun(Thread *thread)	readyList->SortedInsert((void*) thread, thread->getPrio());	先把thread按照優(yōu)先級插入隊列
Scheduler::ReadyToRun(Thread *thread)	if (thread->getPrio() < currentThread->getPrio()) currentThread->Yield();	如果該線程的優(yōu)先級高于正在運行的線程，直接搶占，否則什么也不做

成果演示

我修改了SimpleThread的內容，將其改為如果currentThread的priority>0, 那么就會fork一個比它priority小1的線程，將main線程的優(yōu)先級初始化為7，預期結果：main會fork一個優(yōu)先級為6的線程，然后被該線程剝奪；然后該線程會fork一個優(yōu)先級為5的線程，然后被這個優(yōu)先級為5的線程剝奪，直到fork出一個優(yōu)先級為0的線程。在terminal中輸入./nachos -q 3可以查看結果。

*Chalenge 實現(xiàn)時間片輪轉算法

算法思想

在Thread類里新增timeSlice時間片成員變量，設為缺省值5，表示我們實現(xiàn)的是固定時間片的時間片輪轉算法，如果要實現(xiàn)可變時間片，那么修改Thread的構造函數(shù)即可。并且增設totalRunningTime成員變量，用來表示當前進程的總執(zhí)行時間，設為缺省值10，表示每個進程都是10個單位時間執(zhí)行完成（也可以自定義，這樣更貼合實際中作業(yè)長短不一的情況）（雖然在實際中某進程的執(zhí)行時間不可預計，但是在我們的測試中可以將某進程的總執(zhí)行時間設為缺省值，因為我們的任務是檢查時間片輪轉是否生效）。

可以修改TimerTicks宏來自定義時間片。將TimerTicks的大小設為1，這樣就能實現(xiàn)每個單位時間都會產生中斷，并且在中斷處理函數(shù)中會讓當前進程的時間片和總的運行時間都減少1，并且check一下當前進程的時間片是否已經(jīng)用完，如果用完，那么就進行線程切換。每次中斷之后，系統(tǒng)都會調用OneTick方法來讓系統(tǒng)時間增加10，這是Nachos作者為了方便起見定義每次中斷處理都會花費10的時間（若為用戶指令，則為1）。

新增語句

位置新增變量/語句描述

Thread.h	timeSlice	線程時間片
Thread.h	totalRunningTime	線程的總運行時間
system.cc::TimerInterruptHandler()	currentThread->totalRunningTime–;currentThread->timeSlice–;	當前線程的運行時間和時間片均自減1
system.cc::TimerInterruptHandler()	if (!currentThread->timeSlice){currentThread->timeSlice = 5;interrupt->YieldOnReturn();}	若當前線程時間片用完，重新賦予時間片，并且進行線程切換

成果演示

我在測試函數(shù)中new了一個線程，加上main()線程，總共兩個。他們的總運行時間都為10，時間片都是5。系統(tǒng)每隔一個單位時間會產生一次時鐘中斷來check當前線程的時間片是否用完。中斷處理會花費10的單位時間，相當于每隔10的單位時間會check一次，每check一次，當前進程的運行時間就會+1，直到達到它的總運行時間為止，預期結果：每隔5的單位時間會發(fā)生一次線程切換（算上中斷處理的時間是50），并且在兩個線程的運行時間達到10時結束。在terminal中輸入./nachos -q 4可查看結果：

困難&解決

收獲及感想

上面的負能量可能比較多，現(xiàn)在開始抒發(fā)正能量。

通過本次lab我發(fā)現(xiàn)實驗沒有那么難，最困難的事情應該是從零開始寫一個OS。而我們的實驗都是建立在別人的框架之上的，我們要做的就是：閱讀框架->理解框架->添磚加瓦。

這里要分享一下我讀源代碼的方法：先看注釋，了解某個方法是干什么的。然后再看這個方法的實現(xiàn)，理解之后，默寫一遍。對，很多模塊除開注釋也就幾十行，如果你真的理解了，默寫并不困難。如果你都做到了，那么就可以自信地說自己已經(jīng)理解源代碼了。

理解了源代碼之后，要解決每個exercise基本可以說是信手拈來。

BUGs

1.通過閱讀scheduler.cc中的Run方法我發(fā)現(xiàn)了一個nachos的BUG：SWITCH和delete threadToBeDestroyed的順序反了，這樣會導致finish方法調用之后，線程并不會被及時地析構，而系統(tǒng)會進入下一個就緒線程繼續(xù)運行，原來的這個線程就被永遠地阻塞！

猜想：要解決這個bug， 需要將SWITCH和delete的順序顛倒，這需要我們提前復制一份threadToBeDestroyed的?？臻g，以便delete之后可以用它來給SWITCH使用。

2.Nachos的模擬時間在測試函數(shù)無限循環(huán)時不會增加，比如說，當我寫下如下語句時,系統(tǒng)時間會停滯.解決辦法：在while中添加一句：interrupt->OneTick()。但是這么做是不妥的，因為OneTick方法是內部硬件的模擬方法，不該直接調用，它的屬性應為private，之所以為public是因為它被硬件模擬代碼直接調用。也就是說OneTick()方法出現(xiàn)在此處是不對的，但是我暫時想不到更好的方法，如果有人能解決這個問題，歡迎交流。

//time-slicing algorithm,in threadTest.cc void mySimlpe2(int dummy) {while (stats->totalTicks < 3000);//當系統(tǒng)時間小于3000時無限循環(huán)，在測試中使用無限循環(huán)來模擬實際中作業(yè)的執(zhí)行 } void timeSlicingTest() {Thread *t = new Thread("forked", 1);t->Fork(mySimlpe2, 1);mySimlpe2(1); }

參考文獻

Linux進程描述符task_struct結構體詳解–Linux進程的管理與調度（一）

匯編語言入門教程

《Nachos中文教程》

致謝

感謝羅哥在我最沮喪的時候陪伴我安裝vagrant，雖然沒有成功。

感謝陳向群老師多次幫助，感恩。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Nachos LAB1 线程机制和线程调度实现的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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