山东大学软件学院操作系统课程设计（2021秋季，nachos）实验2

一、实验内容

二、源码分析

1. 概述

与本实验密切相关的有4套.cc和.h文件，其中list文件提供通用的数据结构，在内核线程管理中作队列；thread文件描述TCB，并提供控制线程动作的方法；scheduler文件是调度器，决定下一个运行的线程；system文件描述整个系统。

2. 源码分析

list.cc list.h

描述后向链表结构，不局限于列表元素的类型。分为两个类：链表元素和链表。每个链表元素的属性有：本节点item、用于排序的key、向后的指针。链表类将头元素和尾元素作为私有变量保存。

链表类提供的操作有：

• 把新元素加到表头
• 把新元素加到表尾
• 删除头元素并返回该元素
• 为每个元素提供函数句柄
• 判断表是否为空
• 把新元素保序插入有序表（从小到大排序）
• 把头元素从有序表中删除并返回该元素。

thread.h thread.cc

需要用到18个寄存器。每个线程栈最大1024Byte(即1024个int大小，非常不够用)四种线程状态：刚刚创建、正在运行、准备就绪、阻塞。

Thread保存的私有变量：

• 栈顶指针(int)
• 除了栈顶指针外所有的寄存器值（保存在一个int数组中）
• 栈底指针(int)
• 线程当前状态
• 线程名

Thread构造器初始化线程名和一些变量，析构函数释放栈空间，但注意线程不能自己析构自己。

Tread提供的操作：

• 创建线程
• 让出CPU
• 让线程休眠并让出CPU
• 线程结束
• 判断当前线程是否栈溢出
• 设置线程状态
• 获取线程名
• 打印线程名
  另外ThreadRoot()和SWITCH()函数是用汇编实现的。

scheduler.h scheduler.cc

Scheduler类保存了一个就绪线程的链表。构造器初始化这个就绪线程链表，析构器释放该链表占用空间。

Scheduler提供的方法有：

• 让一个线程变成就绪态
  把这个线程的状态值改为READY，并把它加入就绪链表
• 找到下一个被执行的线程
  返回就绪链表中第一个线程（并把它从链表中删除）
• 让一个线程开始运行
  先查看旧线程是否栈溢出（如果溢出直接报错），然后将新线程状态置为RUNNING，完成新老线程上下文切换，切换之后判断旧线程是否是因为结束而放弃CPU（通过判断threadToBeDestroyed这个系统变量是否为空实现，后面将提及这个变量），如果旧线程已经结束，则销毁它。注意，在上下文切换之前不可以销毁线程，因为上下文切换前我们处于旧线程的上下文中，线程自己无法销毁自己。
• 打印就绪链表
  给链表中每个元素分配一个打印线程信息的函数句柄，逐一打印。
  要注意的是，scheduler只会操作就绪队列中的线程，而与其它状态的线程无关。scheduler相当于是对就绪队列和就绪队列上的操作的一个封装。

system.h system.cc

并没有一个System类作为线程管理系统的实体，而是通过一些全局变量来控制系统（所谓全局变量，就是在其它文件、其它相关操作中可以使用到的变量，被定义在这两个文件中了）。

全局变量有：

• 当前执行的线程
• 刚刚结束的线程（需要被下一个线程销毁）
• scheduler/就绪队列
• 中断系统
• 性能矩阵（在machine/stats.*中定义，包含系统总的时钟数、空闲时钟数、内核态时钟数、用户态时钟数、读磁盘请求数量、写磁盘请求数量、从键盘读入的字符数量、写入显示器的字符数量、页错误数量、网络发包数量、网络收包数量）
• 系统时钟
  提供一个系统初始化函数Initialize(…)，其中初始化了一些系统变量值，并且按照命令行参数中指定导入的模块和指定模块的行为，初始化一些模块内变量值。然后创建一个的主线程，把它的状态置为运行态，并打开中断。后面有初始化了一些模块内变量，我不理解为什么。
• 还提供了一个清理系统的函数Cleanup，它先分模块释放一些模块内变量的空间，然后清理系统中变量的空间。最后以0退出。

三、实现策略

我需要做的就是让加入就绪队列的操作变成“根据优先级插入有序队列”。
这个优先级应该是Thread的属性，因此应该在创建Thread时多给一个参数。但查看switch.h和switch.cc中模拟寄存器组中对InitialArgState和其它几个宏的定义后确认，最多只有一个寄存器存放InitialArg，也就是InitialArg只能是一个int大小，即创建main函数所在线程的时候，无法把默认线程优先级9传进去，而且c++还不支持参数默认值（指有默认值的参数可以不传）。所以解决方案就是，写两个Thread构造器，一个需要传priority，一个不需要这个参数，构造器中将这个成员变量设为默认值9，两个构造器形成重载，创建main函数所在线程的时候不传优先级就使用后者，threadTest中传了优先级就使用了前者。

此外，需要把Scheduler的ReadyToRun中readyList->Append((void \*)thread);改为readyList->SortedInsert((void\*)thread,thread->getPriority());，这个函数在List中提供。

进一步考虑，在有序队列中出队操作和原来无序队列（其实是时间序，先到先服务）中操作是否一致。Nachos中是一致的，因为这是个完全有序链表，都是摘头节点即可，不需要改代码。如果这是个最小堆之类的数据结构的话就不一样了。

四、关键代码

Thread::Thread(const char* threadName,int threadPriority)
{
    name = (char*)threadName;
    ASSERT(threadPriority>=0&&threadPriority<=99);
    priority = threadPriority;
    stackTop = NULL;
    stack = NULL;
    status = JUST_CREATED;
	#ifdef USER_PROGRAM
    	space = NULL;
	#endif
}

void Scheduler::ReadyToRun (Thread *thread)
{
    DEBUG('t', "Putting thread %s on ready list.\n", thread->getName());

    thread->setStatus(READY);
    // readyList->Append((void *)thread);
    readyList->SortedInsert((void*)thread,thread->getPriority());
}

五、实验结果