总体概述

本次lab的主要内容是拓展nachos的线程机制，在nachos的线程模型中添加tid和uid，并添加相应的管理机制。 本次lab的重要知识点在于对nachos中线程具体实现方式的理解，

任务完成情况

1. Exercise 1 –> Y
2. Exercise 2 –> Y
3. Exercise 3 –> Y
4. Exercise 4 –> Y

具体完成情况如下所示：

Exercise 1 调研

调研Linux或Windows中进程控制块（PCB）的基本实现方式，理解与Nachos的异同。

Linux中的PCB包含以下的内容

1. PID
2. 特征信息
3. 进程状态
4. 优先级
5. 通信状态
6. 现场保护区
7. 资源需求、分配控制信息
8. 进程实体信息
9. 其他（工作单位、工作区、文件信息）

Nachos中的PCB实现

PCB的实现thread.h中，其中仅包含以下信息：

1. stackTop and stack, 表示当前进程所占的栈顶和栈底
2. machineState， 保留未在CPU上运行的进程的寄存器状态
3. status， 表示当前进程的状态

Exercise 2 源代码阅读

仔细阅读下列源代码，理解Nachos现有的线程机制
1. code/threads/main.cc和code/threads/threadtest.cc
2. code/threads/thread.h和code/threads/thread.cc

thread.cc中实现了Thread类的一系列成员函数，包含如下几种： Thread();//Thread的构造函数 ~Thread();//Thread的析构函数 Fork(VoidFunctionPtr func, int arg);//在线程中运行func方法，参数为arg ChechOverflow();//检查线程的栈是否溢出 Finsh();//当Fork运行结束后由ThreadRoot调用，调用sleep，并准备将当前进程销毁 Yield();//如果有其他进程在等待，则让当前进程下CPU Sleep();//当前进程由于被阻塞而下CPU ...... threadtest.cc是一个简单的线程调试程序，在main中调用ThreadTest()函数，并完成一些可自定义的测试方法。

Exercise 3 拓展线程的数据结构

增加“用户ID、线程ID”两个数据成员，并在Nachos现有的线程管理机制中增加对这两个数据成员的维护机制。

思路

维护一个标识数组tid_flag，用以表明当前flag是否被分配，每次创建进程时去表中找到第一个未被分配的tid，将其分配给这个数组。当删除一个进程时，则将进程对应的tid_flag置为0

添加数据

在thread.h中，对Thread类添加以下内容： private: int tid; int uid; public: int getTid(){ return this->tid; } int getUid(){ return this->uid; }

数据成员的维护机制

在system.h中，声明外部变量: extern int tid_flag[128]; 同时在system.cc中声明变量, 并在Initialize()中对变量进行初始化： //变量声明 int tid_flag[128]; //in Initialize() for(int i = 0;i < 128; ++i){ tid_flag[i] = 0; } 更改Thread::Thread(char* threadName): Thread::Thread(char* threadName) { name = threadName; stackTop = NULL; stack = NULL; status = JUST_CREATED; // allocate thread id for the current thread, wyx for(int i = 0; i < 128; ++i){ if(tid_flag[i] == 0){ this->tid = i; tid_flag[i] = 1; ThreadNum++; tid_pointer[i] = this; break; } } #ifdef USER_PROGRAM space = NULL; #endif printf("Thread %d created! ", this->tid); } 更改Thread::~Thread(): Thread::~Thread() { DEBUG('t', "Deleting thread "%s" ", name); ASSERT(this != currentThread); //Deallocate the thread id tid_flag[this->tid] = 0; if (stack != NULL) DeallocBoundedArray((char *) stack, StackSize * sizeof(int)); printf("Thread %d deleted ", this->tid); }

Exercise 4 增加全局线程管理机制

1. 在Nachos中增加对线程数量的限制，使得Nachos中最多能够同时存在128个线程；
2. 仿照Linux中PS命令，增加一个功能TS(Threads Status)，能够显示当前系统中所有线程的信息和状态。

思路

在Thread中添加static Thread* getInstance(char* threadName)方法，每次创建新的Thread时首先调用该方法，若当前进程数未超过限制，则正常创建，并返回新创建指针的指针，否则，提示出错，返回NULL 对于TS()，维护tid_flag数组时维护一个Thread* tid_pointer[128]的数组，该数组初始化为NULL，保存tid对应的Thread的指针，在TS中，通过指针得到Thread的对应信息

添加变量ThreadNum

记录当前的线程数，定义类似于tid_flag,故不赘述

更改Thread::Thread()属相

将Thread::Thread()由public改为private

添加Thread::getInstance()方法

Thread* Thread::getInstance(char* threadName){ if(ThreadNum < 128){ return new Thread(threadName); }else{ printf("You cannot create more threads! "); return NULL; } }

TS函数

//TS, print the thread status void TS(){ printf("---------------Call TS--------------- "); for(int i = 0;i < 128;++i){ if(tid_flag[i] != 0){ printf("tid: %d, thread name: %s. ", tid_pointer[i]->getTid(), tid_pointer[i]->getName()); } } printf("------------------------------------- "); }

测试结果：

最大线程数

testnum = 130 ThreadTest()中循环调用testnum次ThreadTest1()

TS函数

在ThreadTest()最后调用

遇到的困难以及解决方式

我遇到了以下两个问题：

1. UID的管理机制

在向Thread类中添加了uid后，我并不清楚应该怎么获得userid，所以并不知道uid的初始化应该如何完成 解决方法： 通过和同学讨论，我们一致认为当前的lab并不涉及用户进程，所有进程都是跑在内核态，故并不需要对userid进程分析，可以在初始化时将uid设置一个缺省值

2. 最大进程数的实现

我一开始并不明确应该用什么方法实现这个功能，所以做了一些尝试。 我最初的实现方法是在Thread::Thread(char* threadName)中判定当前是否有可分配的tid，若有则正常分配，否则将其tid设为缺省值128，在对线程进程回收时根据tid判定，若为128则将其回收 但是后来思考发现，可以通过getInstance的方式，首先判断条件，然后再根据情况返回指向Thread的指针或者NULL。 其实我最终的实现方法有个问题，因为并不能调用Thread::Thread()新建一个进程，给人感觉并不直观，甚至有点奇怪。而且我不确定这种方式对后续的lab是否有影响。

收获及感想

通过这次lab，我觉得我最大的收获在于对nachos的线程机制以及对操作系统内部进程的管理机制的理解更加深刻。

对课程的意见和建议

暂无

参考文献

[1] Andrew S. Tanenbaum著．陈向群 马洪兵 译 .现代操作系统［Ｍ］．北京：机械工业出版社，2011：47-95． [2] Nachos Doc: http://homes.cs.washington.edu/~tom/nachos/