操作系统lab4实验报告

实验四：内核线程管理

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实验2/3完成了物理和虚拟内存管理，这给创建内核线程（内核线程是一种特殊的进程）打下了提供内存管理的基础。当一个程序加载到内存中运行时，首先通过ucore OS的内存管理子系统分配合适的空间，然后就需要考虑如何分时使用CPU来“并发”执行多个程序，让每个运行的程序（这里用线程或进程表示）“感到”它们各自拥有“自己”的CPU。

本次实验将首先接触的是内核线程的管理。内核线程是一种特殊的进程，内核线程与用户进程的区别有两个：

• 内核线程只运行在内核态
• 用户进程会在在用户态和内核态交替运行
• 所有内核线程共用ucore内核内存空间，不需为每个内核线程维护单独的内存空间
• 而用户进程需要维护各自的用户内存空间

实验目的：

• 了解内核线程创建/执行的管理过程
• 了解内核线程的切换和基本调度过程

实验内容：

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练习0：

本次实验依赖之前lab1，lab2以及lab3的内容，用meld工具对比，复制文件即可，这里不再过多赘述。

练习1：分配并初始化一个进程控制块

alloc_proc函数（位于kern/process/proc.c中）负责分配并返回一个新的struct proc_struct结构，用于存储新建立的内核线程的管理信息。ucore需要对这个结构进行最基本的初始化，完成这个初始化过程。

首先我们在proc.h中查看进程的数据结构proc_struct

下面对参数进行简单的讲解：

(1) mm：内存管理的信息，包括内存映射列表、页表指针等。
(2) state：进程所处的状态。
(3) parent：用户进程的父进程（创建它的进程）。
(4) kstack：记录了分配给该进程/线程的内核桟的位置。
(5) need_resched：是否需要调度
(6) context：进程的上下文，用于进程切换
(7) tf：中断帧的指针
(8) cr3: cr3 保存页表的物理地址

设计实现：

需要初始化的proc_struct结构中的成员变量至少包括：state/pid/runs/kstack/need_resched/parent/mm/context/tf/cr3/flags/name。

对除了具有特殊值的几个成员变量以外，其余均置0；
根据提示，补全代码部分如下：

• 请说明proc_struct中struct context context和struct trapframe *tf成员变量含义和在本实验中的作用是啥？

①context：进程的上下文，用于进程切换。起到的作用就是保存了现场。在 ucore中，所有的进程在内核中也是相对独立的，因此context 保存寄存器的目的就在于在内核态中能够进行上下文之间的切换。实际利用context进行上下文切换的函数是在kern/process/switch.S中定义switch_to。

② tf：中断帧的指针，总是指向内核栈的某个位置：当进程从用户空间跳到内核空间时，中断帧记录了进程在被中断前的状态。当内核需要跳回用户空间时，需要调整中断帧以恢复让进程继续执行的各寄存器值。除此之外，ucore内核允许嵌套中断。因此为了保证嵌套中断发生时tf 总是能够指向当前的tf，ucore 在内核栈上维护了 tf 的链。

练习2：为新创建的内核线程分配资源

创建一个内核线程需要分配和设置好很多资源。kernel_thread函数通过调用do_fork函数完成具体内核线程的创建工作。do_kernel函数会调用alloc_proc函数来分配并初始化一个进程控制块，但alloc_proc只是找到了一小块内存用以记录进程的必要信息，并没有实际分配这些资源。ucore一般通过do_fork实际创建新的内核线程。do_fork的作用是，创建当前内核线程的一个副本，它们的执行上下文、代码、数据都一样，但是存储位置不同。在这个过程中，需要给新内核线程分配资源，并且复制原进程的状态。需要完成在kern/process/proc.c中的do_fork函数中的处理过程。它的大致执行步骤包括：

• 调用alloc_proc，首先获得一块用户信息块。
• 为进程分配一个内核栈。
• 复制原进程的内存管理信息到新进程（但内核线程不必做此事）
• 复制原进程上下文到新进程
• 将新进程添加到进程列表
• 唤醒新进程
• 返回新进程号

设计实现：

在本次练习中，主要需要实现的代码位于proc.c的do_fork函数中，该函数的语义为为内核线程创建新的线程控制块，并且对控制块中的每个成员变量进行正确的设置，使得之后可以正确切换到对应的线程中执行；接下来将结合具体的代码来说明本次练习的具体实现过程：

首先，申请内存块，如果失败，直接返回处理，并将子进程的父节点设置为当前进程 。
接着为进程分配一个内核栈。
复制父进程的内存信息到子进程
复制父进程相关寄存器信息（上下文）
将新进程添加到进程列表（此过程需要加保护锁）
建立散列映射方便查找
将进程链节点加入进程列表
之后把进程数+1
等一切准备就绪，唤醒子进程
最后设置返回的子进程号

• 请说明ucore是否做到给每个新fork的线程一个唯一的id？请说明你的分析和理由。

可以做到，在使用 fork 或 clone 系统调用时产生的进程均会由内核分配一个新的唯一的PID值。具体来说，就是在分配PID时，设置一个保护锁，暂时不允许中断，这样在就唯一地分配了一个PID。

练习3：阅读代码，理解 proc_run 函数和它调用的函数如何完成进程切换的。

接下来对proc_run函数进行分析：

首先注意到在本实验框架中，唯一调用到这个函数是在线程调度器的schedule函数中，也就是可以推测proc_run的语义就是将当前的CPU的控制权交给指定的线程；
接下来结合代码分析函数的内部构成：

可以看到proc_run中首先进行了TSS以及cr3寄存器的设置，然后调用到了swtich_to函数来切换线程，根据上文中对switch_to函数的分析可以知道，在调用该函数之后，首先会恢复要运行的线程的上下文，然后由于恢复的上下文中已经将返回地址（copy_thread函数中完成）修改成了forkret函数的地址(如果这个线程是第一运行的话，否则就是切换到这个线程被切换出来的地址)，也就是会跳转到这个函数，最后进一步跳转到了__trapsret函数，调用iret最终将控制权切换到新的线程；

1.在本实验的执行过程中，创建且运行了几个内核线程？

总共创建了两个内核线程，分别为：

• idleproc: 最初的内核线程，在完成新的内核线程的创建以及各种初始化工作之后，进入死循环，用于调度其他线程；
• initproc: 被创建用于打印"Hello World"的线程；

2.语句local_intr_save(intr_flag);…local_intr_restore(intr_flag);在这里有何作用?请说明理由

该语句的左右是关闭中断，使得在这个语句块内的内容不会被中断打断，这就使得某些关键的代码不会被打断，从而不会一起不必要的错误；

实验结果：

执行make qemu，make grade后结果如下图：
实验结果符合预期。

实验中涉及的知识点列举

在本次实验中设计到的知识点有：

线程控制块的概念以及组成；
切换不同线程的方法；

对应到的OS中的知识点有：

对内核线程的管理；
对内核线程之间的切换；

这两者之间的关系为，前者为后者在OS中的具体实现提供了基础；
实验中未涉及的知识点列举

在本次实验中未涉及的知识点有：

OS的启动过程；
OS中对物理、虚拟内存的管理；
OS中对用户进程的管理；
OS中对线程/进程的调度；

总结

本次实验主要针对内核线程的管理，所有内核线程直接使用共同的ucore内核内存空间，而用户进程需要维护各自的用户内存空间。以及了解到了进程切换的相关细节操作，更加深一步的了解了操作系统。

challenge

对比first-bit/best-fit/worst-fit/slab以及buddy这几种算法的特点，无需编程

一、首次适应算法（First Fit）：该算法从空闲分区链首开始查找，直至找到一个能满足其大小要求的空闲分区为止。然后再按 照作业的大小，从该分区中划出一块内存分配给请求者，余下的空闲分区仍留在空闲分区链 中。
特点： 该算法倾向于使用内存中低地址部分的空闲区，在高地址部分的空闲区很少被利用，从而保留了高地址部分的大空闲 区。显然为以后到达的大作业分配大的内存空间创造了条件。
缺点：低地址部分不断被划分，留下许多难以利用、很小的空闲区，而每次查找又都从低地址部分开始，会增加查找的开销。
二、循环首次适应算法（Next Fit）：该算法是由首次适应算法演变而成的。在为进程分配内存空间时，不再每次从链首开始查 找，直至找到一个能满足要求的空闲分区，并从中划出一块来分给作业。
特点：使内存中的空闲分区分布的更为均匀，减少了查找时的系统开销。
缺点：缺乏大的空闲分区，从而导致不能装入大型作业。
三、最佳适应算法（Best Fit）：该算法总是把既能满足要求，又是最小的空闲分区分配给作业。为了加速查找，该算法要求将 所有的空闲区按其大小排序后，以递增顺序形成一个空白链。这样每次找到的第一个满足要求的空闲区，必然是最优的。孤立 地看，该算法似乎是最优的，但事实上并不一定。因为每次分配后剩余的空间一定是最小的，在存储器中将留下许多难以利用 的小空闲区。同时每次分配后必须重新排序，这也带来了一定的开销。
特点：每次分配给文件的都是最合适该文件大小的分区。
缺点：内存中留下许多难以利用的小的空闲区。
四、最坏适应算法(Worst Fit)：该算法按大小递减的顺序形成空闲区链，分配时直接从空闲区链的第一个空闲区中分配（不能 满足需要则不分配）。很显然，如果第一个空闲分区不能满足，那么再没有空闲分区能满足需要。这种分配方法初看起来不太 合理，但它也有很强的直观吸引力：在大空闲区中放入程序后，剩下的空闲区常常也很大，于是还能装下一个较大的新程序。
最坏适应算法与最佳适应算法的排序正好相反，它的队列指针总是指向最大的空闲区，在进行分配时，总是从最大的空闲 区开始查寻。
该算法克服了最佳适应算法留下的许多小的碎片的不足，但保留大的空闲区的可能性减小了，而且空闲区回收也和最佳适 应算法一样复杂。
特点：给文件分配分区后剩下的空闲区不至于太小，产生碎片的几率最小，对中小型文件分配分区操作有利。
缺点：使存储器中缺乏大的空闲区，对大型文件的分区分配不利。
五、伙伴算法
伙伴算法会浪费大量的内存,(如果需要大小为9的内存块必须分配大小为16的内存块).而优点也是明显的,分配和合并算法都很简单易行.但是,当分配和回收较快的时候,例如分配大小为9的内存块,此时分配16,然后又回收,即合并伙伴内存块,这样会造成不必要的cpu浪费,应该设置链表中内存块的低潮个数,即当链表中内存块个数小于某个值的时候,并不合并伙伴内存块,只要当高于低潮个数的时候才合并.
六、slab算法
采用buddy算法，解决了外碎片问题，这种方法适合大块内存请求，不适合小内存区请求，与传统的内存管理模式相比， slab缓存分配器提供了很多优点。首先，内核通常依赖于对小对象的分配，它们会在系统生命周期内进行无数次分配。slab缓存分配器通过对类似大小的对象进行缓存而提供这种功能，从而避免了常见的碎片问题。slab分配器还支持通用对象的初始化，从而避免了为同一目而对一个对象重复进行初始化。最后，slab分配器还可以支持硬件缓存对齐和着色，这允许不同缓存中的对象占用相同的缓存行，从而提高缓存的利用率并获得更好的性能。