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内容一：总体概述

         本次Lab针对的内容是实现线程机制最基本的数据结构——进程控制块（PCB）。当一个进程创建时必然会生成一个相应的进程控制块，记录一些该线程特征，如进程的标示符、状态、相应的程序和数据地址、资源清单等（当然，Nachos简化了进程控制块的内容）。实验的主要内容是修改和扩充PCB，主要难点在于发现修改PCB影响到的文件并进行修改。          另一个存在的困难就是对C++语言的语法不熟悉，需要补一些语法课。   【用简洁的语言描述本次lab的主要内容；阐述本次lab中涉及到的重要的概念，技术，原理等，以及其他你认为的最重要的知识点。这一部分主要是看大家对lab的总体的理解。          要求：简洁，不需要面面俱到，把重要的知识点阐述清楚即可。】

内容二：任务完成情况

任务完成列表（Y/N）

  Exercise1 Exercise2 Exercise3 Exercise4 完成情况 Y Y Y Y  

具体Exercise的完成情况

         Exercise1          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。            我选择了开源的Linux作为调研内容。在Linux中的每一个进程由一个task_struct数据结构来描述。task_struct就是通常所说的进程控制块（PCB）。task_struct容纳了一个进程的所有信息，是对系统进程进行控制的唯一手段，也是最有效的手段。task_struct存放在/include/linux/sched.h中。          我的调研选择了Linux-3.5.4版本阅读。并参考了网上的一些博客。Linux系统的PCB包括了很多参数，主要的参数有： 1)        进程状态 进程状态是进程调度和交换的依据。Linux下进程设置了5种状态。分别是运行态、可中断态、不可中断态、僵尸状态、暂停态。 2)        进程调度信息 调度程序利用这些信息决定下一个应该运行的进程。这部分信息包括进程的类别（普通进程还是实时进程）、进程的优先级等。 3)        标识符 每个进程都有很多标识符来标识它，标识符有进程标识符、用户标识符、组标识符、备份用户标识符、文件系统用户标识符等。标识符可以用于控制进程对系统中文件和设备的访问。 4)        进程通信相关信息 Linux支持多种不同形式的通信机制。它支持典型的Unix通信机制：信号、管道，也支持System V通信机制：共享内存、信号量和消息队列。 5)        进程链接信息 Linux中进程有继承关系。除了初始化进程init，其他进程都有一个父进程。每个进程可以通过fork()或clone()系统调用来创建子进程，除了进程标识符等必要的信息外，子进程的task_struct结构中的绝大部分信息都是从父进程中拷贝过来的。系统记录这种父/子、兄/弟关系，使进程间的协作更加方便。task_struct中有许多指针，通过这些指针，系统中所有的task_struct结构就构成了一颗进程树。 6)        时间和定时器信息 内核需要记录进程在其生存期内使用CPU的时间以便用于统计、计费等有关操作。进程耗费CPU的时间由两部分组成：一是在用户态下耗费的时间，一是在系统态下耗费的时间。这类信息还包括进程剩余的时间片和定时器信息等，以控制相应事件的触发。 7)        文件系统信息 进程可以打开或关闭文件，文件属于系统资源，Linux内核要对进程使用文件的情况进行记录。 8)        虚拟内存信息 除了内核线程，每个进程都拥有自己的地址空间，用mm_struct来描述。 9)        页面管理信息 当物理内存不足时，Linux内存管理子系统需要把内存中部分页面交换到外存，其交换是以页为单位的。这部分结构记录了交换所用到的信息、 10)    对称多处理器信息 与多处理器相关的几个域。 11)    处理器上下文信息 当进程暂时停止运行时，处理机的状态必须保存在进程的task_struct。当进程被调度重新运行时再从中恢复这些环境，也就是恢复这些寄存器和堆栈的值。 12)    其他 记录一些其他的必要信息。   Nachos相对与Linux系统的线程部分来讲，要简单许多。它的PCB仅有几个必须的变量，并且定义了一些最基本的对线程操作的函数。Nachos线程的总数目没有限制，线程的调度比较简单，而且没有实现线程的父子关系等。很多地方需要我们进行完善。            Exercise2 仔细阅读下列源代码，理解Nachos现有的线程机制。 code/threads/main.cc和code/threads/threadtest.cc code/threads/thread.h和code/threads/thread.cc               main.cc          main.cc是整个操作系统kernel启动的入口，通过它可以直接调用操作系统的方法。通过程序中的main函数，配以不同的参数，可以调用Nachos操作系统不同部分的各个方法。Execise4中添加TS操作就要从整个函数入手。          threadtest.cc          这是一个简单的线程实验的测试用例。用于指导我们如何对线程的修改进行测试的。其中比较重要的变量有：          testnum：测试号，对应相应的测试函数。          SimpleThread()：一个5次循环的程序，每次循环中都让出CPU，让其他就绪的线程执行。          ThreadTest1()：一个测试方法，创建两个线程，让他们都执行SimpleThread()方法，使这两个线程可以交替执行。          ThreadTest()：可以看做一个总控程序，根据main函数传过来testnum参数值来执行不同的测试程序。例如，当testnum==1时，就执行ThreadTest1()。          Thread.h          定义了管理Thread的数据结构，即Nachos中线程的上下文环境，都被定义在Thread.h中。主要包括当前线程栈顶指针、所有寄存器的状态、栈低、线程状态、名字。当前栈指针和机器状态的定义必须按指定位置，因为Nachos在线程切换时，会按照预先指定的顺序操作线程上下文内存和寄存器。          在Thread类中还声明了一些基本的方法，如Fork()、Yield()、Sleep()等等，由于这些方法的作用根据名字已经显而易见了，在此不再赘述。          ThreadStatus：线程的状态，有刚创建状态、运行状态、就绪状态和阻塞状态这四个状态。          Thread.cc          Thread.cc中主要是管理Thread的一些事务。主要包括了四个主要的方法。Fork()、Finish()、Yield()、Sleep()。在Thread.h中对它们进行了声明，在Thread.cc中则负责具体的实现。注意到，这里实现的方法大多是都是原子操作，在方法的一开始保存中断层次关闭中断，并在最后恢复原状态。          Thread()：构造函数，初始化一个新的Thread。          Fork(VoidFunctionPtr func,int arg):func，新线程运行的函数；arg，func函数的参数。它的实现包括一下几步：分配一个堆栈、初始化堆栈、将线程放入就绪队列。          Finish()：并不是直接收回线程的数据结构和堆栈，因为我们仍在这个堆栈上运行这个线程。做法是将threadToBeDestroyed的值设为当前线程，使得Scheduler的Run()可以调用销毁程序，当我们这个程序退出上下文时，将其销毁。          Yield()：调用scheduler找到就绪队列中的下一个线程，并让其执行。以达到放弃CPU的效果。            Exercise3 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。                   增加用户ID：          设计思路： 现有的Nachos代码不支持多用户，我获取当前Linux系统的用户ID作为Nachos的用户ID。          对代码进行的修改：（截图见增加线程ID实验）          在thread.h文件的thread类声明中添加私有的int型成员变量userID、添加公有的成员方法getUserID()用于获取当前的userID。          在thread.cc文件的开始位置，引入头文件“unistd.h”。它是C和C++中提供的对POSIX操作系统的访问功能的头文件，这样，我们就可以在Nachos中直接获取当前Linux的用户ID了。此后在Thread的构造函数中添加语句userID=getuid()，即可获取当前Linux系统的用户ID。在thread.cc文件中还实现了getUserID()方法，这个方法很简单，return一个userID即可。          增加线程ID：          设计思路： 声明一个全局的数组，定义这个数据有128个元素。每个元素的取值为0或1。0表示该数组下标没有作为线程的ID分配出去，1表示以分配。每次创建一个新线程的时候从1开始遍历此数组，得到的第一个值为0元素的数组下标作为线程的ID分配给将要创建的线程。如果遍历一遍数组发现没有可用的ID了，则不创建该线程，并输出提示。另外，由于系统的全局变量都声明和定义在system.h或system.cc中，我们也将该数组定义在这里。            对代码进行的修改：          在system.h中，声明可以创建线程数的最大值MaxThread为128、并声明一个threadIDs[]数组用于记录分配和未分配的线程ID数值。
         在system.cc的Initialize()中，定义threadIDs[MaxThread]数组，并将其值都初始化为0。
在thread.h文件的thread类声明中添加int型的私有成员变量threadID、添加公有的成员方法getThreadID()用于获取当前的threadID。
         在thread.cc文件中，定义allocatedThreadID()方法。该方法每次从1开始遍历threadIDs数组，发现的第一个值为零的元素下标作为线程的ID。如果没有可分配的ID，则返回-1。同时，在thread构造函数的一开始，用flag接收一个allocatedThreadID()返回的线程ID。如果为-1，则输出提示，停止创建过程。否则继续创建该线程。并在析构函数中将完成的线程ID的对应的数组值重新赋为0。 




实验结果截图： 测试代码截图如下：
         SimpleThread()也进行了相应的修改：
执行结果如下图：                   Exercise4          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； 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。   使Nachos最多能同时存在128个线程： 设计思路：  根据上一个实验。为每个线程分配了一个ID。最大值仍设为128。如果线程数超过128则返回ID为-1。因此在创建新线程时进行一次判断，如果返回的ID为-1，则停止创建即可。 对代码进行的修改：          在Exercise3的基础上，修改thread.cc文件。关键在ASSERT(flag!=-1)。
         修改ThreadTest.cc中的ThreadLimit()循环创建128个线程，如果超过则判断。
         修改ThreadTest.cc中的ThreadTest()。使之得到调用ThreadLimit()的接口：
实验结果截图： 命令行输入“./nachos –q 2”观察实验结果。
增加TS功能： 设计思路： 当前的Nachos操作系统中只有READY队列，所以要输出系统中所有的线程，只需要输出READY队列，即可，需要注意的是，总是有一个线程处于正在执行的状态。所以输出中要把这个线程也加上。 通过阅读代码和查资料了解到，readyList是定义在scheduler.cc中的，但是它是一个私有类型的变量，所以要添加一个公有的get方法获得它。 同时了解到list.cc中有一个Mapcar(func)的方法。可以对List中的每个元素调用func方法。   对代码进行的修改： 在main.cc中，添加相应方法，使得系统能识别TS命令，在其中将testnum设为3。
在threadtest.cc中。将testnum==3，跳转到ThreadTest2()方法中。（比较简单不再截图） ThreadTest2()中创建了3个线程，每个线程都执行ReadyListPrint()方法。
ReadyListPrint()的主要作用是打印出该线程正在执行时的状态，包括打印出当前线程和readyList中的线程。
这里用到了关中断，以防过程中被其他线程中断。 Mapcar会对队列中的每个item对象执行MyThreadPrint()方法。 在thread.cc中添加MyThreadPrint()的定义，首先将item强制类型转换为Thread类型。之后打印其相关内容。
同时，由于Status是一个枚举类型，要输出其字符串型的内容有些困难，通过添加一个字符串类型的数组，才将枚举的变量以字符串类型输出。 在thread.h中，定义了该字符串数组。
实验结果截图：
可以看到，一共有三个线程，一个线程处在RUNNING状态，另外两个线程则处于READY状态。
         【对于阅读代码类的exercise，请对其中你认为重要的部分（比如某文件，或某个类、或某个变量、或某个函数……）做出说明。          对于要编程实现的exercise，请对你增加或修改的内容作出说明。如果增加或修改了某个类，请写出这个类写在那个文件中，它的功能是什么，你自己添加或修改的成员变量以及成员函数有哪些，它们的功能是什么；特别的，对于复杂的函数，请说明你的实现方法。不需要贴具体的实现代码。          要求：表述清楚即可， 可采用图表来辅助说明，不需要贴代码】

内容三：遇到的困难以及解决方法

困难1

对C++语言不熟悉。 对C++的很多语法掌握的不好，大概的能看懂，读代码理解还可以，自己写就不太轻松了，很多地方都是对比着Nachos现有的代码的实现方法，比葫芦画瓢写的，所有造成运行的时候有很多Bug，调起来很非脑筋。整个实验的思路还是比较简单的，只是编程实现起来有些困难，需要不停的百度Bug的解决方法。 最显著的困难出现在C++的指针部分，虽然仍是可以理解代码的意思，但是遇到指针还是会很困惑。另一方面就是对C++ 的工程不是很熟悉。 解决这个问题我基本上考的是参考Nachos代码的写法，或者百度。特别难理解的知识点就翻翻书来看。基本上经过一次实习对C++的语法已经熟悉了不少。

困难2

刚开始对Nachos Threads的各个类的功能不太熟悉，哪一个变量或方法应该添加到哪个部分，有些疑惑。 通过仔细的研读代码，这方面的困难已经基本解决了。   【描述你在实习过程中遇到的困难，是与实习直接相关的技术方面的难题。突出说明你是如何攻克这些难关的。 要求：只需写一下有较深体会的困难。如果觉得整个过程都比较简单的话此部分可不用写。】

内容四：收获及感想

相信通过操作系统课的实习，我写C++代码的能力会有显著的提升，以前都是写Java的web，对C++忘的差不多了，通过这次的实验，可以捡回来不少。 另一个就是对线程的了解更加的透彻，虽然还仅仅只是对线程中PCB的一部分内容的实验。相信可以通过以后的实验，对操作系统的各种机制有更深入的了解。            【自己的收获，任何关于实习的感想，可以是技术方面的或非技术方面的，可随意发挥。 要求：内容不限，体裁不限，字数不限，多多益善，有感而发。】

内容五：对课程的意见和建议

目前来讲，我觉得一切还都挺好的，老师讲的很不错，进度也可以，没有什么建议。            【请写下你认为课程需要改进的地方，任何方面，比如进度安排、难易程度、课堂讲解、考核方式、题目设置……甚至如果你认为源代码哪里写得不好也欢迎提出。          各位同学反馈的信息对课程建设会有极大帮助。】

内容六：参考文献

［1］       鸡蛋壳. 看雪论坛 http://bbs.pediy.com/showthread.php?t=15794 ［2］      佚名 Nachos中文教程 http://wenku.baidu.com/link?url=1rGnypg8Hq6-43gAvuIYPWyVlPLZ0S_XNEXQJ-2ShqPPg3n2bqWvQgRYC8PdVXLmr66e9GpC2nCSbE1ofkgcT6aASWqVklMWUaBuZNSmXDy   【我们希望大家不要使用复制粘贴来拼凑你的报告。详细地列出你在完成lab的过程中引用的书籍，网站，讲义，包括你咨询过的大牛们。          要求：诚实，格式尽量按照论文的要求，请参考“论文参考文献格式.doc”】