nachos代码阅读--xq(2)

以开中断、调用（*func）（arg）以及调用Thread：：Finish函数； 13) SaveUserState/RestoreUserState：在上下文切换时保护/恢复CPU状态； G. Threadtest.cc：

工作机制是创建两个线程，通过调用Yield（）函数频繁切换上下文，显示内部线程的工作过程；

1) SimpleThread（）：循环5次，让出CPU给其它准备好的线程，参数int which是

为了调试用；

2) ThreadTest1（）：在两个线程之间设置ping-pong，fork一个线程调用

SimpleThread（）函数，再自己调用SimpThread（）函数；

3) ThreadTest（）：通过检查参数int testnum是否是1决定是否调用测试代码，即

调用ThreadTest1（）函数；

H. Scheduler.h：

线程分发器和调度器的数据结构，包括一个就绪队列； I. Scheduler.cc：

选择下一个要运行的线程，并且调度该线程。这些代码假设中断已关来实现互斥。在这里我们不能使用锁来提供互斥机制，因为我们需要等待一个锁，而且这个锁是被占用的，我们最后会调用FindNextToRun（），这会使我们进入一个无限的循环。 1) Scheduler（）：初始化就绪队列为空； 2) ~scheduler（）：删除就绪线程队列；

3) ReadyToRun（）：标记一个线程为ready，放入就绪队列末尾；

4) FindNextToRun（）：返回下一个将要运行的线程，没有则返回NULL，同时从就绪

队列删除该线程；

5) Run（）：把CPU分发给下一个运行线程。调用switch代码以保存旧线程状态，同

时加载新线程状态；

a) 保存当前线程指针为oldThread；

b) 如果是用户程序，则保存用户的CPU寄存器；

c) 检查oldThread是否栈溢出（因为不是时刻检查栈段溢出，所以这时线程的

运行可能已经出错）；

d) 当前线程置为传进来的参数nextThread； e) 当先线程状态设为Running；

f) 调用switch，切换新旧线程的状态（之前运城在当先线程的栈空间，之后运

行在nextThread的栈空间）；

g) 如果旧线程因为结束放弃运行，即被赋给threadToBeDestroyed，则删除旧

线程；

h) 如果是用户程序，则恢复当前线程的地址空间；

6) Print（）：打印调度器的状态，即就绪队列的内容，用于调试； J. Switch.s：

与机器有关的上下文切换代码。说是机器相关的，是因为需要保存的寄存器、设置初始的调用函数栈空间等对于每一个处理器架构都是特别的。此处为每种架构设计了两段代码：

1) ThreadRoot（InitialPC, InitialArg, WhenDonePC, StartupPC）：

a) InitialPC：将要运行的线程的入口函数的地址； b) InitialArg：入口函数的参数；

c) WhenDonePC：当该线程运行结束时要调用的代码；

d) StartupPC：运行该线程需要调用的代码，即要做的一些初始化工作； e) 在nachos源代码中，没有函数和方法显式调用此函数，ThreadRoot函数只

有在线程切换时才被调用。线程在初始化的最后准备工作要调用StackAllocate方法，该方法设置了几个寄存器的值，该线程第一次被切换时调用的就是ThreadRoot函数。其工作流程为： [1]. 清除帧指针；

[2]. 调用StartupPC函数；

[3]. 设置InitialArg参数，调用InitialPC函数，主程序； [4]. 调用WhenDonePC函数，结束时调用clean up程序；

f) 由此，ThreadRoot入口可以转而运行线程所要运行的函数，从而生成一个新

的线程；

2) SWITCH(oldThread, newThread)：

a) oldThread：当前运行的线程，需要保存其CPU寄存器状态； b) newThread：将要运行的线程，需要加载其CPU寄存器状态；

c) 在Makefile.dep下定义了HOST = -DHOST_i386，所以只需看最下面的汇编

代码； d) 工作流程是：

[1]. 保存当前线程的状态：栈指针、被调用者保存的寄存器、帧指针、返回

地址；

[2]. 加载将要运行的线程状态：栈指针、被调用者保存的寄存器、帧指针、

返回地址；

[3]. 跳转到新运行的线程的栈空间运行新线程；

K. Synch.h：

同步线程的数据结构。这里定义了三种类型：信号量、锁和条件变量。已经实现了信号量，且给出了锁和条件变量的接口。此处每个同步对象都有一个name便于调试。 1) Class Semaphore：

定义了一个非负整数value，包括一个在P处的等待队列queue。还有一个函数bool isHeldByCurrentThread（），检查如果是currentThread持有该锁则返回true，用于检查Release时用。只有两个原子操作P和V： a) P（）：等待直到value>0。然后减1； b) V（）：加1，唤醒一个正在P()等待的线程；

此处不允许直接读信号量的值，即使读也是旧的值，不知道最新的值是多少，因为从寄存器读取时，可能发生了上下文切换，也可能有其它线程修改了信号量的值。

2) Class Lock：

锁机制是线程进入临界区的工具。一个锁有busy和free两种状态，当锁处于free时，线程可以申请取得锁进入临界区，执行完临界区代码后释放锁；当锁处于busy时，需申请该锁的线程进入睡眠态，等到锁为free时再申请取得锁。包含两个原子操作Acquire和Release，而且只有得到锁的线程才可以释放它：

a) Acquire（）：锁为busy时进入睡眠等待；锁为free时，线程获得锁设置为

busy继续运行；

b) Release（）：设置锁为free，如有等待线程，唤醒其中一个线程进入就绪态； 和信号量类似，不允许直接读锁的值value，因为读过之后马上就可能改变。另外，在这里可以添加需要实现锁自定义的变量。

3) Class Condition：

条件变量没有值，当一个线程需要的某种条件没有满足时，可作为一个等待条件变量的线程插入所有等待该条件变量的队列，只要条件满足就会被唤醒继续运行。条件变量总是和锁机制一同使用，在条件变量上有三个操作（所有这些操作必须在currentThread持有一个锁的前提下，且所有对一个条件变量进行的操作必须建立在同一个锁的前提下，保证访问该条件变量的线程之间的互斥）：

a) Wait（）：释放锁，放弃CPU进入睡眠等待直到接收到信号，然后再次申请锁。

其中，释放锁和进入睡眠都是原子操作；

b) Signal（）：唤醒一个等待该条件变量的线程（如果存在）； c) Broadcast（）：唤醒所有等待该条件变量的线程（如果存在）；

在nachos中，所有的条件变量默认是遵循Mesa规范——当调用Signal或者Broadcast唤醒一个线程时，该线程置于等待链表，该线程调用Wait等待再次获得锁。不同于Hoare规范——发送信号的线程放弃锁和CPU给唤醒的线程，唤醒的线程立即运行，然后在运行至临界区之外时将锁给先前发送信号的线程。 使用Mesa规范导致在被唤醒的线程得到机会运行之前，可能有其它线程得到这个锁并且改变数据结构。

L. Synch.cc：

线程同步的代码。关于同步代码的实现需要一些原语的原子操作。我们假定nachos运行在单处理器上，因此原子操作可以通过关中断来实现。关闭中断后，没有上下文切换，currentThread确保一直占用CPU，直到中断打开。

一些代码调用时中断可能已关闭（比如信号量的V操作），我们直接重设中断状态到它原来的状态，而不是在原子操作的最后打开中断。 1) Class Semaphore：

a) Semaphore（char* debugName, int initialValue）：构造函数，初始化一个

信号量；

b) ~Semaphore()：当没有线程等待该信号量时，删除该信号量；

c) P（）：关中断，循环判断value的值，如果等于0则插入该信号量的等待队

列queue，然后调用sleep进入睡眠状态并切换到其它线程运行，唤醒之后继续检查value的值。检查到value>0，则跳出循环将value减1，然后恢复中断至原来的状态；

d) V（）：关中断，如果线程等待队列中有等待该信号量的线程，取出队首线程，

不为空则设为ready准备运行，然后立即将value加1，最后恢复中断状态；

2) 关于Lock和Condition的函数需要后面完善； M. Synchlist.h：

定义了对一个链表同时访问时的数据结构。通过在抽象链表数据结构前后添加同步代码来完善。

Class SynchList定义了同步的链表，该链表满足约束条件： 1) 试图从链表删除一个元素，必须等待链表中含有一个元素； 2) 每个时刻只有一个线程可以访问链表数据结构；

私有变量包括list链表（一个未同步的链表）、lock锁（保证对链表的互斥访问）、listEmpty条件变量（链表为空时在Remove处等待）。 N. Synchlist.cc：

用管程monitor的方式实现——每个程序都用一个锁的获得和释放对维护，同时利用条件变量的Signal和Wait来同步。

1) SynchList（）：为一个同步链表分配和初始化一个数据结构，初始链表为空； 2) ~ SynchList（）：删除为一个同步链表分配的资源；

3) Append（）：在链表末尾添加一个元素item，并唤醒所以等待添加元素的线程，

item是将要放进链表的东西，也可以是一个指针。执行过程是尝试申请取得锁（保证互斥访问）->添加元素item->唤醒等待的线程->释放锁；

4) Remove（）：删除链表的开头元素，若链表为空等待，最后返回删除的元素。执行

过程为尝试申请取得锁->循环检查链表为空则等待->链表不为空，则删除开头元素->释放锁->返回该元素；

5) Mapcar（）：将函数应用于链表的每个元素，遵循互斥的限制。执行过程为尝试申

请取得锁->调用List类的Mapcar->释放锁；

O.

4. /nachos-3.4/code/machine：

A. Timer.h：

定义了模拟硬件时钟的数据结构。一个硬件时钟每x毫秒，这可以用来给时间分片，或者让一个线程睡眠一定长的时间段。

此处模拟硬件时钟的思路是每次TimerTicks使得变量stats->totalTicks增加就产生一个终端。为了在时间分片上产生一定的随机性，可以设置变量‘doRandom’，然后在随机的ticks之后产生中断。

不能改编代码，因为这是机器模拟的一部分。 Timer.cc：

只是为了模拟一个nachos运行的硬件，并不是nachos系统的部分。所以不要改变： 1) static void TimerHandler(int arg)：伪处理中断的函数；

a) 在Timer的初始化函数中，调用此内部函数；

b) 不直接使用初始化函数中的timeHandler参数作为中断处理函数的原因：如

果直接使用

timeHandler

作为时钟中断处理函数，

(int)

this,

interrupt->Schedule(TimerHandler, TimeOfNextInterrupt(),

TimerInt)是将一个时钟中断插入等待处理中断队列，一旦中断时刻到来则立即处理中断，处理结束后没有机会将下一个时钟中断插入等待处理的中断队列。而时钟中断时刻到来，调用TimerHandler内部函数，TimerHandler则调用TimerExpired成员函数，该函数可以将新的中断插入到等待处理的中断队列，然后再调用真正的时钟中断处理函数；

c) 不讲TimerExpired函数作为时钟中断在Timer的初始化函数中调用的原因：

C++不能直接引用一个类成员函数的指针，所以借用TimerHandler内部函数，也因此将TimerExpired设置为public属性；

2) Timer：初始化一个硬件时钟设备，每次中断，保存要调用的地址，然后安排时钟

开始产生中断；

3) TimerExpired（）：模拟产生中断的代码。调度下一次中断，并且调用中断处理函

数；

4) TimeOfNextInterrupt（）：返回下一次时钟中断的时间。如果设置了随机查宿，

则产生一个伪随机的延迟；

B. Interrupt.h：

定义模拟底层中断硬件的数据结构。硬件提供了代码来开关中断，可以设置SetLevel。为了模拟硬件，我们需要记录硬件设备将要产生的中断，以及它们什么时候应该产生。

这个模块也要记录模拟时间。只有一下三种情况才会增加时间：

? ? ?

再次开中断； 执行一条用户指令； 就绪队列为空；

因此，不同于真实的硬件，中断不能在关闭中断的代码中产生。这意味着不正确的同步代码可能在硬件模拟器上正常工作，但是在真实的硬件上则不然。 不能改变此处的代码，这是机器模拟的一部分。 1) IntStatus：枚举变量，包括开/关中断；

2) MachineStatus：枚举变量，包括空闲/系统/用户模式；

3) IntType：枚举变量，记录了产生中断的硬件设备，包括时钟、磁盘、控制台、网

络接收和发送；

4) PendingInterrupt：类定义了未来要产生的中断，内部数据结构均为public属性，

便于操作，包括产生中断时要调用的函数指针、传递的参数、产生的中断时间，以及初始化中断的函数；

5) Interrupt：类定义了模拟硬件中断的数据结构。记录中断是否打开，以及未来所

以的硬件中断； Interrupt.cc：

1) PendingInterrupt：：PendingInterrupt（）：初始化未来要调度的硬件设备中断； 2) Interrupt：：Interrupt（）：初始化硬件设备中断，即中断关闭，清楚inHandler

标志，初始为系统态，同时初始化等待处理的中断队列；

3) Interrupt：：~ Interrupt（）：删除模拟中断所需的数据结构，循环释放等待处

理的中断队列中每个中断占用的空间资源；

4) Interrupt：：ChangeLevel（）：改变中断类型为开/关，同时模拟时间不能增加，

是一个内置函数；

5) Interrupt：：SetLevel（）：设置中断为开/关，而且如果设置打开中断，通过调

用OneTick（）使得模拟时间增加。最后返回之前的中断开/关状态；

6) Interrupt：：Enable（）：打开中断，不关心之前的状态，在ThreadRoot中用于

启动一个线程时打开中断；

7) Interrupt：：OneTick（）：模拟时间增加一个单位，根据当前状态为用户态/系统

态时钟分别前进一个用户态时间单位/系统态时间单位，并更新nachos用户态和系统态运行的时间，同时检查当前是否还有中断发生，有则进行处理。有两种情况会调用此函数：

? ?

再次打开中断； 执行一条用户指令；

执行的过程如下： a) 保存旧状态；

b) 前进和前进时间单位； c) 关中断；

d) 等待将要发生的中断；

e) 如果yieldOnReturn为true，表示要切换上下文，则切换到内核模式，当前

线程调用Yield（）函数让出CPU；

8) Interrupt：：YieldOnReturn（）：在一个中断处理程序内部被调用，返回时在被

中断的线程引发一个上下文切换。在这里不能切换上下文，否则会置换掉中断处理函数，而我们想要置换被中断的线程。此函数内部设置yieldOnReturn标志；

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