Nachos同步机制实习报告

同步机制实习报告善良的大姐姐2015.3.302目录一：总体概述...................................................................................3二：任务完成情况............................................................................3任务完成列表（Y/N）................................................................3具体Exercise的完成情况...........................................................3三：遇到的困难以及解决方法......................................................12四：收获及感想.............................................................................12内容五：参考文献..........................................................................133一：总体概述Lab3首先要求阅读Nachos系统提供的同步机制代码，即Semaphore的实现。其次要求修改底层源代码，达到“扩展同步机制，实现同步互斥实例”的目标。具体来说，即要求在Semaphore的基础上，实现Lock锁和Mesa管程的Condition（条件变量）。此外，还要利用编写的同步机制，来实现互斥实例，进而证明同步机制编写的正确性。二：任务完成情况任务完成列表（Y/N）Exercise1Exercise2Exercise3Exercise4Challenge1Challenge2YesYesYesYesYesYes具体Exercise的完成情况Exercise1：调研任务：调研Linux中实现的同步机制调研情况：Linux的同步机制包括好几层。第一层：原子操作。以x86体系结构为例，定义在linuxX.X/include/asm-i386/atomic.h文件中。文件内定义了原子类型atomic_t，其仅有一个字段counter，用于保存32位数据。其中原子操作函数atomic_inc完成自加原子操作。第二层：自旋锁。以x86体系结构为例，定义在linuxX.X/include/asm-i386/spinlock.h文件中。其中__raw_spin_lock完成自旋锁的加锁功能。自旋锁达到的效果为，在等待锁的线程会不断地申请锁，直到获得锁或是时间片用尽从而离开CPU。第三层：信号量以x86体系结构为例，定义在linuxX.X/include/asm-i386/semaphore.h文件中。信号量的申请操作使用down函数，释放操作使用up函数。即通常所说的PV操作。区别于自旋锁，当一个进程在等待一个锁时，会让出CPU进入休眠状态，直到其他进程释放锁后，将该进程放入可运行队列。4Exercise2：源代码阅读任务阅读下列源代码，理解Nachos现有的同步机制。code/threads/synch.h和code/threads/synch.cccode/threads/synchlist.h和code/threads/synchlist.cc阅读情况Synch.cc(h)文件中有三个类：Semaphore,Lock,Condition。其中Semaphore是已经编写完成的。主要功能是：通过一个名字和一个初始值可以初始化一个Semaphore。P函数的作用是：判断当前线程能否进入临界区，如果可以（即初始值≠0），则进入，且初始值减一；如果不能（即初始值＝0），则将当前线程放入Semaphore的等待队列中，线程进入休眠状态。V函数的作用是：如果Semaphore的等待队列不为空，将等待队列的队头线程取出来，将其状态标识为ReadyToRun，并且初始值加1。另外两个类是本次作业需要完成的，会在之后说明。Synchlist.cc(h)文件中包括一个Synchlist类，实现了一个互斥访问的队列。具体来说，类中有一个Append函数，用于将元素加入队列；有一个Remove函数，用于将队头元素移出队列。而互斥访问的实现方式为：用Lock锁将Append函数体和Remove函数体保护起来。保证了二者至多只有一个可以被被CPU运行，直到函数体结束。（即线程切换的中断不会造成线程交替运行）这两个函数模拟了monitor（管程）的函数体互斥性，因此在之后的作业中会用到。Exercise3：实现锁和条件变量任务可以使用sleep和wakeup两个原语操作（注意屏蔽系统中断），也可以使用Semaphore作为唯一同步原语（不必自己编写开关中断的代码）。完成情况1.Lock简述：使用Semaphore作为同步原语，定义的时候创建一个初始值为1的Semaphore。对应的，Acquire函数就是执行Semaphore的P函数，Release函数就是执行Semaphore的V函数。验证正确性：采用基于优先级抢占式调度，一个线程递归生成优先级更高的线程。如果没有Lock，那么当前线程就会被抢占，那么运行结果会是这样：5但若在线程一开始加上了互斥锁，那么只有当当前线程运行结束后，它fork出来的线程才能获得锁，才能运行，运行结果如下：2.Condition简述：修改情况简单解释新增List变量conditionlist容纳正在等待某个signal的线程Wait函数：Release的原因是，由于管程的互斥访问接连输出beforefork再接连输出afterfork一个线程输出了beforefork和afterfork之后，另一个线程才能输出61.对传入的Lock参数执行Release2.关中断3.将当前线程加入conditionlist，当前线程Sleep4.对传入的Lock参数执行Acquire5.开中断性，当一个线程需要wait一个signal时，需要让出CPU。而在Nachos系统中，管程的互斥访问是由Lock保证的，为了防止死锁，需要在当前线程进入休眠之前释放lock。当线程再次被唤醒时，需要再次Acquire这把锁。Signal函数：1.关中断2.如果conditionlist队列不为空，将队头线程取出，并放入ReadyToRun队列3.开中断Signal函数即唤醒一个正在等待这个条件变量的线程。Broadcast函数：1.关中断2.将conditionlist队列中所有线程取出，并放入ReadyToRun队列3.开中断Broadcast函数即唤醒所有正在等待这个条件变量的线程。Exercise4：实现同步互斥实例任务基于Nachos中的信号量、锁和条件变量，采用两种方式实现同步和互斥机制应用（其中使用条件变量实现同步互斥机制为必选题目）。具体可选择“生产者-消费者问题”、“读者-写者问题”、“哲学家就餐问题”、“睡眠理发师问题”等。（也可选择其他经典的同步互斥问题）完成情况1.基于Nachos信号量实现“生产者-消费者”问题（基于时间片轮转调度，时间片长度随机。为了使得中断有可能在任何地方发生，在所有临界区中的代码语句后面都调用了interrupt-onetick）修改情况：新增测试变量和函数简单解释测试变量：1.isFull信号量，初始值为02.isEmpty信号量，初始值为N（N为生产者可以放入的最大数量，设为5）3.M1信号量4.生产数组如果生产数组内元素数量达到N，则会被isFull信号量阻塞，生产者需要等待；如果生产数组内元素数量为0，则会被isEmpty信号量阻塞，消费者需要等待。M1信号量用于保证生产数组的互斥访问。Producer函数1.isEmpty-P()2.在M1信号量保护下访问生产数组，加入一个元素3.isFull-V()由于IsEmpty信号量初始值为N，则生产者最多可以进入producer函数N次；相应的，isFull信号量会被释放至多N次Consumer函数由于isFull信号量在生产者生产之后会被71.isFull-P()2.在M1信号量保护下访问生产数组，移出一个元素3.isEmpty-V()释放，因此此时消费者可以消费。相应的，isEmpty信号量被释放，使得生产者可以继续生产。Test_Producer函数For循环40次，调用producer函数生产者生产（至多）40次。（因为可以有多个生产者）Test_consumer函数For循环40次，调用consumer函数消费者消费（至多）40次。（因为可以有多个消费者）ThreadTest函数新生成1个生产者线程（装载Test_producer函数）和2个消费者线程（装载Test_consumer函数）测试结果截图：2.基于Nachos的条件变量实现“生产者-消费者”问题（基于时间片轮转调度，时间片长度随机。为了使得中断有可能在任何地方发生，在所有临界区中的代码语句后面都调用了interrupt-onetick）修改情况：增改测试变量和函数简单解释Synchlist.cc:新增变量1.ListEmpty条件变量2.ListFull条件变量1和2同信号量部分的isEmpty和isFull语义计数值用于判断生产队列是否满了生产者放入队列的元素发生时间片中断，切换线程两个消费者交替消费元素83.Listcount计数值Append函数：1.加锁2.如果生产队列满，等待ListEmpty条件变量3.否则将新元素加入生产队列4.SignallistFull条件变量5.解锁加锁解锁保证管程函数执行的互斥性。如果生产队列满，则等待消费者消费之后，发送listEmpty条件变量。生产之后，发送listFull条件变量，激活等待消费的消费者Remove函数1.加锁2.如果生产队列空，等待listFull条件变量3.否则从生产队列头取出一个元素4.SiignallistEmpty条件变量5.解锁是Append函数的对偶版本。Monitor_producer函数For循环40次，往Synchlist管程里的队列放入元素同test_producerMonitor_consumer函数For循环40次，消费Synchlist管程里的队列的元素同test_consumerThreadTest函数新生成1个生产者线程（装载Monitor_producer函数）和2个消费者线程（装载Monitor_consumer函数）测试结果截图：两个消费者交替消费，并且不需要和生产者同步。9测试情况详细分析：Challenge1：实现barrier任务可以使用Nachos提供的同步互斥机制（如条件变量）来实现barrier，使得当且仅当若干个线程同时到达某一点时方可继续执行。完成情况增改处简单解释Condition类：1.增加waitcount计数值，表示等待条件变量的队列中的线程个数2.增加Barrier函数，在函数中，判断waitcount是否达到规定值，如果达到，则广播所有队列中的线程；否则令当前线程进入等待状态若还没达到规定值，则线程需要等待；若达到了，则释放所有等待线程。这样就可以使得规定值个数的线程“同步”运行其中，规定值设为3新增Barrier类：仿照synchlist类，实现了一个互斥访问的管程。在管程函数里，调用barrier函数测试函数：新建3个线程，每个线程用for循环调用同一意图让线程均输出了i之后，再接着输出i+1生产者加锁进入管程放入第5个元素（最多为5）发送isFull信号解锁管程互斥锁生产者试图继续加锁进入管程（失败，由于生产队列满）释放管程互斥锁进入等待isEmpty信号的状态（进入队列+sleep）消费者1加锁进入管程此时发生了中断线程切换消费者2试图加锁进入管程，