pintos project (2) Project 1 Thread -Mission 1 Explanation

一 开篇

　　这篇博客开始介绍pintos project的第一个任务：

• Project 1 Threads 

　　

　　操作系统这门课对我个人而言算是比较有难度很有挑战的一门课，但是我非常的喜欢，关于一些算法性质的东西，在课上的时候可能不是很了解，但是通过pintos这个实验，很多东西自然而然的就明白了。

　　实验一从一开始我参考了这篇博客 Pintos-斯坦福大学操作系统Project详解-Project1 原博客的博主对于实验一讲解的非常细致，对于一些函数基本上也是一个个的讲解，所以如果觉得我这篇博客写的不是很好的朋友，请移步原博，希望你能有所收获。

　　之所以在原博客已经存在的情况下再写一篇这样的博客，是因为我觉得，在同一个实验中每个人的收获是不同的，比如一些地方的修改可能使你豁然开朗，有些函数该如何调用，有些变量如何使用，很多程度上让我觉得，这个实验让我学到了很多的东西。

　　OK，闲话不多说，开始任务。

二 任务分解

　　Project thread 的主要实验目标是使我们make check的时候，27个test全部pass。在不进行任何修改的情况下，make check 得到的结果是这样的：

　　pintos project 1 thread 可具体的划分成三个子任务

• Mission 1  重新实现 timer_sleep()函数。
• Mission 2 实现优先级调度
• Mission 3 实现多级反馈调度

Mission 1:

　　重新实现timer_sleep()函数

　　pintos系统使用的是busy waiting的方式实现，即： 线程在不停的循环，寻求进入CPU的机会，直至时间片耗尽，进程被饿死。我们需要做的就是更改timer_sleep()的实现。

　　timer_sleep()函数在src/devices/timer.c中。

　　　　

　　　我们可以看到 int64_t start = timer_ticks(); 这一行，调用了timer_ticks()函数，让我们找到这个函数：

　　　　

　　　在这个函数里面使用了一个枚举类型 intr_lever，让我们找到这个枚举值。在interrupt.h中，我们可以看到：　

　　　　

 

　　　很明显的我们可以知道，这个枚举值是一个控制中断的值，当INTR_OFF的时候，禁止中断，当INTR_ON的时候，允许中断。

　　　在timer_ticks()中我们看到了intr_disable()函数，继续找到intr_disable()，在interrupt.c中：

　　　　

　　　通过注释我们可以得知，这个函数的作用是，在调用的时候，禁止中断并且放回上一个中断状态。

　　　而在这里我们看到了一个intr_get_level()函数，虽然通过名字我们基本上已经判断出来它的作用，但是我们还是要看一下实现：

　　　　

　　intr_get_level()的作用是： 返回当前中断的状态。（具体的实现使用了汇编，然而我并没有学过汇编，因此放在一边，我们只需要明白它的作用就好，具体的汇编实现我们并不需要去了解。如果有兴趣了解的，请寻找相关资料。）

　　 到这里为止我们分析完了timer_sleep()函数，让我们来整理一下。

　　首先，intr_get_level()返回了intr_level的值；

　　然后，intr_disable()获取了当前的中断状态给变量old_level，并将当前的中断状态设置为OFF 即不能中断，再返回操作之前的中断状态，即old_level。

　　继续分析timer_ticks(), 我们可以看到，用一个变量t获取了全局变量ticks的值，然后返回这个变量t，中间调用了一个intr_set_level()函数，继续分析这个函数

　　

　　函数的return语句用了一个三元运算符， return level == INTR_ON ? intr_enable () : intr_disable (); 

　　作用是：如果level之前允许中断，那么设置成enable, 否则就设置成disable。而这里的intr_enable()函数和intr_disable()函数，则可以继续查看下去：

　　

　　

　　好的，到这里为止我们算是分析完了timer_ticks() 函数，函数的核心作用其实就一个：

　　　　　　让t获取ticks的当前值。

　　　　而之所以先要用old_level来保存当前中断状态，最后intr_set_level(old_level)返回到之前的状态,

　　　　是为了让 t = ticks这个过程不被打断。

 

　　都分析到这里了，我们还没看全局变量ticks到底是什么，搜索一下ticks的声明：

　　

/* Number of timer ticks since OS booted. */
static int64_t ticks;

　　根据注释我们知道，ticks是一个计数器，记录了从pintos启动开始，一共进行了多少个时间单位。

　　到这里我们再来看看timer_sleep()函数，

while (timer_elapsed (start) < ticks)
    thread_yield();

　　找到timer_elapsed()函数：

/* Returns the number of timer ticks elapsed since THEN, which
   should be a value once returned by timer_ticks(). */
int64_t
timer_elapsed (int64_t then)
{
  return timer_ticks () - then;
}

　　这个函数返回了一个当前时间距离then的时间间隔，现在我们明白那句while是什么意思了：

　　　　在一个时间间隔里，不停的执行thread_yield()，直到当前这个时间片被耗尽。

　　那我们现在只需要分析thread_yield()就可以了，继续看代码：

/* Yields the CPU.  The current thread is not put to sleep and
   may be scheduled again immediately at the scheduler's whim. */
void
thread_yield (void)
{
  struct thread *cur = thread_current ();
  enum intr_level old_level;

  ASSERT (!intr_context ());

  old_level = intr_disable ();
  if (cur != idle_thread)
    list_push_back (&ready_list, &cur->elem);
  cur->status = THREAD_READY;
  schedule ();
  intr_set_level (old_level);
}

/* Returns the running thread.
   This is running_thread() plus a couple of sanity checks.
   See the big comment at the top of thread.h for details. */
struct thread *
thread_current (void)
{
  struct thread *t = running_thread ();

  /* Make sure T is really a thread.
     If either of these assertions fire, then your thread may
     have overflowed its stack.  Each thread has less than 4 kB
     of stack, so a few big automatic arrays or moderate
     recursion can cause stack overflow. */
  ASSERT (is_thread (t));
  ASSERT (t->status == THREAD_RUNNING);

  return t;
}

/* Returns true if T appears to point to a valid thread. */
static bool
is_thread (struct thread *t)
{
  return t != NULL && t->magic == THREAD_MAGIC;
}

　　从上面几个函数和注释，我们可以得到thread_yield()的作用：让当前的进程放弃CPU，然后进入ready队列继续等着下一次的执行，如果ready队列是空的就让它继续执行。

　　

　　分析了上面这么多，我们可以得到一个结论：timer_sleep()函数的作用就是，在一个ticks的周期内，如果线程处于running，就把它扔到ready队列去。

这么做的缺点是很明显的，线程在CPU的running队列和ready队列中不断切换，耗费了大量的资源，我们要做的第一件事情，就是要改善这种实现方式。

　　

　　现在我们看到的pintos的实现方式里，thread的状态一直在running和ready队列中，我们现在来思考一种实现方式：

　　调用timer_sleep的时候直接把线程阻塞掉，然后给线程结构体加一个成员ticks_blocked来记录这个线程被sleep了多少时间， 然后利用操作系统自身的时钟中断（每个tick会执行一次）加入对线程状态的检测， 每次检测将ticks_blocked减1, 如果减到0就唤醒这个线程。

　　这样一来，在线程被阻塞并且ticks_blocked的值大于0的时候，线程不再能够切换到running，即进入真正的sleep中，直至被系统时钟唤醒。

 

　　具体的实现见下一篇博客。