Nachos操作系統實習-lab1

• 內容一：總體概述
• 內容二：任務完成情況
• 內容三：遇到的困難以及解決方法
• 內容四：收獲及感想
• 內容五：對課程的意見和建議
• 內容六：參考文獻

內容一：總體概述

本次 lab 的主要內容是在理解 Nachos 線程管理機制的基礎上進行擴展，添加 UID 和 TID 兩個成員變量，并增加相應的維護機制；此外，還需要設置 Nachos 允許同時存在的最大線 程數并增加 TS 指令。本次 lab 的重點在于理解 Nachos 的線程管理機制，在理解的基礎上進一步拓展其功能。

內容二：任務完成情況

任務完成列表（Y/N）

exercise1exercise2exercise3exercise4

完成情況	Y	Y	Y	Y

具體Exercise的完成情況

Exercise1 調研

Linux中進程控制塊的基本實現方式：
每一個進程由一個對應的task_struct數據結構描述，用來維護進程的相關信息。其中包含有：
（1） 進程狀態。一共有TASK_RUNNING（可運行）、TASK_INTERRUPTIBLE（可中斷的等待狀態）、TASK_UNINTERRUPTIBLE（不可中斷的等待狀態）、TASK_STOPPED（暫停）、TASK_ZOMBIE（僵死）、TASK_SWAPPING（換入/換出）六種狀態。
（2） 進程調度信息。決定系統中哪個進程最應該運行，進程的調度策略分為SCHED_OTHER（其他調度）、SCHED_FIFO（先來先服務調度）、SCHED_RR（時間片輪轉調度）三種。
（3） 標識符（PID）。每個進程由一個唯一的標識符確定，PID是一個32位的無符號整數，被順序編號，用戶程序通過PID調度進程。
（4） 進程通信有關信息（IPC）。管理進程之間數據的交流。
（5） 進程鏈接信息。管理進程之間的父/子關系，使進程之間的協作更加方便。
（6） 時間和定時器信息。記錄進程從創建到終止使用CPU的時間，以便進行統計、計費等有關操作。
（7） 文件系統信息。記錄進程使用文件的情況。
（8） 虛擬內存信息。管理每個進程的地址空間（虛擬空間）。
（9） 頁面管理信息。當物理內存不足時，負責進行頁面的交換。
（10） 和處理器相關的環境信息。當進程暫時停止運行時，處理器必須保存上下文信息在進程的thread_struct結構中，當進程被調度重新運行時再恢復這些環境。
（11） 其他。

與Nachos中進程控制塊的基本實現方式的異同：
Nachos的進程控制塊相關信息定義在code/threads/thread.h中，其中只包含有stackTop指針（指向棧頂）、stack指針（指向棧底）、status（JUST_CREATED, RUNNING, READY, BLOCKED）、name、machineState（保存其他未運行進程寄存器的狀態）。相比較Linux中PCB的實現方式，Nachos中的信息較少，實現較為簡單，只有一些基本的狀態參數和基本的操作函數。

Exercise2 源代碼閱讀

main.cc是Nachos整個程序的入口，其中對整個Nachos中的數據結構進行了初始化，此外解析命令行傳入的參數，根據不同的參數進而調用Nachos的不同方法。

threadtest.cc提供了thread的測試方法，當testnum被設置成1的時候，ThreadTest函數會進一步調用ThreadTest1函數，ThreadTest1函數會創建一個線程，該線程會進一步fork出一個子線程，兩個線程都去調用SimpleThread函數，通過線程的Yield函數自動放棄占用CPU，實現兩個線程交替輸出。

thread.h提供了Thread類的定義，其中包括棧頂指針、棧底指針、線程名字、線程狀態、寄存器狀態等變量，也聲明了Fork()、Yield()、Sleep()、Finish()、CheckOverflow()、setStatus()、getName()、Print()、ThreadAllocate()這些針對線程操作的函數。

thread.cc中對thread類的構造函數、析構函數以及各個成員函數進行了具體化，如Fork()通過分配并初始化堆棧，將一個線程放入準備隊列；CheckOverflow()檢查棧是否溢出；Finish()設置threadToBeDestroyed為當前線程，并調用Sleep()函數；Sleep()將當前線程的狀態設置為BLOCKED，尋找下一個即將運行的線程；Yield()尋找下一個即將運行的線程，通過scheduler->Run()使新的線程占用CPU運行；StackAllocate()為線程分配需要的堆棧空間。其中Fork()、Finish()、Sleep()、Yield()的操作都是原子的，通過interrupt->SetLevel(IntOff)保存中斷層次關閉中斷，在操作完成后再恢復原狀態。

Exercise3 擴展線程的數據結構

第一步：先在thread.h中為Thread類添加了UID和TID兩個int型的變量，然后聲明了get_UID()和get_TID()兩個函數，分別返回該線程的UID和TID。

第二步：在system.cc中定義一個長度為128的int型數組TID_list，用于記錄已經被占用的TID編號，在Initialize()函數內將其初值賦為0。之后在system.h中外部聲明這個數組。

第三步：在thread.cc中為UID和TID兩個成員變量進行維護。首先在構造函數中，對于一個新的線程，調用系統getuid()函數獲得UID編號，順序遍歷TID_list找到第一個沒有被占用的TID編號。接下來在析構函數中，當一個線程被釋放時，將其占用的TID編號恢復空閑，方便之后的線程使用。

Exercise4 增加全局線程管理機制

第一步：如Exercise3中所述，將TID_list的大小設置為128，即Nachos中最多能同時存在128個線程。在thread.cc的構造函數中，當找不到一個空閑的TID編號時，將當前線程的TID編號設為-1，通過ASSERT( TID != -1 )使程序強制終止。

第二步：增加一個TS命令，為了顯示當前系統中所有線程的信息和狀態，需要為每個線程保存一個指向它的指針。于是在system.cc中定義長度為128的指針數組threadPointer，用來指向對應TID編號的線程，同時在system.h中外部聲明該數組。

第三步：在thread.cc中構造函數中，設置新創建線程TID編號對應的指針指向該線程；在析構函數中，讓對應指針指向NULL。

第四步：由于需要打印線程狀態，所以在thread.h中為Thread類添加成員函數get_status()，用來返回當前線程的狀態。

第五步：在threadtest.cc中創建相應的測試函數ThreadTest2()和ThreadTest3()，分別對應testnum為2和3的情況。其中ThreadTest2中創建超過128個線程用來測試最大線程數量；ThreadTest3中打印所有現存線程的name, UID, TID和status。并在main.cc中添加為測試最大線程數量和TS指令設置相應testnum的程序。

最大線程數量測試結果如下：

TS指令測試結果如下：

內容三：遇到的困難以及解決方法

困難1 不知道怎么設置當前線程的UID

一開始我嘗試將所有線程的UID都設置為0，但之后在上網查閱資料的過程中了解到，linux系統中可以通過包含兩個頭文件<unistd.h>和<sys/types.h>進而調用getuid()函數獲得當前UID，問題得到解決。

內容四：收獲及感想

通過完成這次lab，我對Nachos的線程管理機制有了更加深入的理解，同時通過調研linux中進程控制塊的實現，對二者的區別有了更加清晰的認識。

在做lab之前我也調研閱讀了關于Nachos的一些文獻，其中對于Nachos的線程管理機制也有描寫，但是讀書不如親自動手來的效果好，在做完lab之后，才可以說對于書中的描述有了更加深刻的理解。

內容五：對課程的意見和建議

我建議討論課的時候可以大家多交流交流自己lab的實現方式，看看有沒有一些比較好的想法，也可以看看大家有沒有碰到一些相同的問題，可以討論一起解決，一起進步。

關于Nachos源碼的問題我也遇到了一個，就是Nachos中線程第一次運行時不會調用scheduler::run，因此導致不會釋放之前的線程。我在析構函數中添加打印函數后，發現對于test1的結果只有一個線程被回收了。經過群里討論助教說明了是Nachos本身的問題。

內容六：參考文獻

[1] Andrew S. Tanenbaum著．陳向群 馬洪兵 譯 .現代操作系統［Ｍ］．北京：機械工業出版社，2011：47-95．
[2] linux進程控制塊task_struct描述:
https://blog.csdn.net/jnu_simba/article/details/11724277?depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task&utm_source=distribute.pc_relevant.none-task
[3] linux系統編程之進程: https://www.cnblogs.com/mickole/p/3185889.html

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Nachos操作系统实习-lab1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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