操作系统ucore lab7实验报告
2016-06-18 20:13
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操作系统lab7实验报告
lab6完成了用户进程的调度框架和调度算法的具体实现,即到lab6位置,ucore系统已经可以同事调度运行多个程序。但是这又引来了一个新的问题,那就是当多个同时运行的进程要协同操作或是访问共享内存的时候,如何解决同步和有序竞争的问题。本次实验的主要就是解决进程的同步问题
练习0:填写已有实验
同样使用一款名为meld的软件进行对比即可,大致截图如下:
这里把需要填充的文件罗列如下:
proc.c default_pmm.c pmm.c swap_fifo.c vmm.c trap.c sche.c
另外需要说明的是,上述需要填充的部分,不需要在以前的基础上再额外加以修改,直接讲lab1-lab6的代码根据对比复制过来即可。
练习1 理解内核级信号量的实现和基于内核级信号量的哲学家就餐问题
在完成本练习之前,先说明下什么是哲学家就餐问题哲学家就餐问题,即有五个哲学家,他们的生活方式是交替地进行思考和进餐。哲学家们公用一张圆桌,周围放有五把椅子,每人坐一把。在圆桌上有五个碗和五根筷子,当一个哲学家思考时,他不与其他人交谈,饥饿时便试图取用其左、右最靠近他的筷子,但他可能一根都拿不到。只有在他拿到两根筷子时,方能进餐,进餐完后,放下筷子又继续思考。
在分析之前先对信号量进行简介,直接看信号量的伪代码如下
struct semaphore { int count; queueType queue; }; void P(semaphore S){ S.count--; if (S.count<0) { 把进程置为睡眠态; 将进程的PCB插入到S.queue的队尾; 调度,让出CPU; } } void V(semaphore S){ S.count++; if (S.count≤0) { 唤醒在S.queue上等待的第一个进程; } }
基于上诉信号量实现可以认为,当多个进程可以进行互斥或同步合作时,一个进程会由于无法满足信号量设置的某条件而在某一位置停止,直到它接收到一个特定的信号(表明条件满足了)。为了发信号,需要使用一个称作信号量的特殊变量。为通过信号量s传送信号,信号量通过V、P操作来修改传送信号量。
接下来进入代码的分析。
lab7和之前的lab6的总体步骤基本没有多大的变化,开始的执行流程都与实验六相同,而二者的差异主要是从,而我们跟着代码继续往下看,一直到创建第二个内核线程init_main时,我们可以看到,init_main的内容有一定的修改,函数在开始执行调度之前多执行了一个check_sync函数,check_sync函数如下:
void check_sync(void){ int i; //check semaphore sem_init(&mutex, 1); for(i=0;i<N;i++){d sem_init(&s[i], 0); int pid = kernel_thread(philosopher_using_semaphore, (void *)i, 0); if (pid <= 0) { panic("create No.%d philosopher_using_semaphore failed.\n"); } philosopher_proc_sema[i] = find_proc(pid); set_proc_name(philosopher_proc_sema[i], "philosopher_sema_proc"); } //check condition variable monitor_init(&mt, N); for(i=0;i<N;i++){ state_condvar[i]=THINKING; int pid = kernel_thread(philosopher_using_condvar, (void *)i, 0); if (pid <= 0) { panic("create No.%d philosopher_using_condvar failed.\n"); } philosopher_proc_condvar[i] = find_proc(pid); set_proc_name(philosopher_proc_condvar[i], "philosopher_condvar_proc"); } }
根据注释可以看到,该函数分为了两个部分,第一部分是实现基于信号量的哲学家问题,第二部分是实现基于管程的哲学家问题。
练习1要求分析基于信号量的哲学家问题,这里我们先只用看该函数的前半部分。
首先实现初始化了一个互斥信号量,然后创建了对应5个哲学家行为的5个信号量,并创建5个内核线程代表5个哲学家,每个内核线程完成了基于信号量的哲学家吃饭睡觉思考行为实现。现在我们继续跟进philosopher_using_semaphore函数观察它的具体实现。
int philosopher_using_semaphore(void * arg) /* i:哲学家号码,从0到N-1 */ { int i, iter=0; i=(int)arg; cprintf("I am No.%d philosopher_sema\n",i); while(iter++<TIMES)/* 无限循环 */ { cprintf("Iter %d, No.%d philosopher_sema is thinking\n",iter,i); // 哲学家正在思考 do_sleep(SLEEP_TIME); phi_take_forks_sema(i); // 需要两只叉子,或者阻塞 cprintf("Iter %d, No.%d philosopher_sema is eating\n",iter,i); // 进餐 do_sleep(SLEEP_TIME); phi_put_forks_sema(i); // 把两把叉子同时放回桌子 } cprintf("No.%d philosopher_sema quit\n",i); return 0; }
看到核心就是phi_take_forks_sema和phi_put_forks_sema两个函数,具体的函数注释如下:
void phi_take_forks_sema(int i) /* i:哲学家号码从0到N-1 */ { down(&mutex); /* 进入临界区 */ state_sema[i]=HUNGRY; /* 记录下哲学家i饥饿的事实 */ phi_test_sema(i); /* 试图得到两只叉子 */ up(&mutex); /* 离开临界区 */ down(&s[i]); /* 如果得不到叉子就阻塞 */ } void phi_put_forks_sema(int i) /* i:哲学家号码从0到N-1 */ { down(&mutex); /* 进入临界区 */ state_sema[i]=THINKING; /* 哲学家进餐结束 */ phi_test_sema(LEFT); /* 看一下左邻居现在是否能进餐 */ phi_test_sema(RIGHT); /* 看一下右邻居现在是否能进餐 */ up(&mutex); /* 离开临界区 */ }
而这里到了信号量的核心部分,就是上述代码中的up和down函数就分别调用了
__up函数和
__down函数,而这两个函数分别对应着信号量的V,P操作。
先看
__up函数,它实现了信号量的的V操作
static __noinline void __up(semaphore_t *sem, uint32_t wait_state) { bool intr_flag; local_intr_save(intr_flag);//关闭中断 { wait_t *wait; if ((wait = wait_queue_first(&(sem->wait_queue))) == NULL) {//没有进程等待 sem->value ++;//信号量的value加一 } else {//有进程在等待 assert(wait->proc->wait_state == wait_state); wakeup_wait(&(sem->wait_queue), wait, wait_state, 1);//将`wait_queue`中等待的第一个wait删除,并将该进程唤醒 } } local_intr_restore(intr_flag);//开启中断返回 }
首先通过
local_intr_save函数关闭中断,如果信号量对应的
wait queue中没有进程在等待,直接把信号量的value加一,然后通过
local_intr_restore函数开中断返回。如果有进程在等待且进程等待的原因是semophore设置的,则调用
wakeup_wait函数将
wait_queue中等待的第一个wait删除,且把此wait关联的进程唤醒,最后通过
local_intr_restore函数开中断返回。
再来看看
__down函数,它实现了信号量的P操作
static __noinline uint32_t __down(semaphore_t *sem, uint32_t wait_state) { bool intr_flag; local_intr_save(intr_flag); //关掉中断 if (sem->value > 0) {//当前信号量value大于0 sem->value --;//直接让value减一 local_intr_restore(intr_flag);//开中断返回 return 0; } //当前信号量value小于等于0,表明无法获得信号量 wait_t __wait, *wait = &__wait; wait_current_set(&(sem->wait_queue), wait, wait_state);//将当前的进程加入到等待队列中 local_intr_restore(intr_flag);//打开中断 schedule();//运行调度器选择其他进程执行 local_intr_save(intr_flag);//关中断 wait_current_del(&(sem->wait_queue), wait);//被V操作唤醒,从等待队列移除 local_intr_restore(intr_flag);//开中断 if (wait->wakeup_flags != wait_state) { return wait->wakeup_flags; } return 0; }
首先关掉中断,然后判断当前信号量的value是否大于0。如果是大于0,则表明可以获得信号量,故让value减一,并打开中断返回即可;如果小于0,则表明无法获得信号量,故需要将当前的进程加入到等待队列中,并打开中断,然后运行调度器选择另外一个进程执行。如果被V操作唤醒,则把自身关联的wait从等待队列中删除(此过程需要先关中断,完成后开中断)
至此,基于信号量的哲学家问题的解决就分析完毕了。
练习2 完成内核级条件变量和基于内核级条件变量的哲学家就餐问题
即要求首先掌握管程机制,然后基于信号量实现完成条件变量实现,然后用管程机制实现哲学家就餐问题的解决方案。管程,即定义了一个数据结构和能为并发进程所执行(在该数据结构上)的一组操作,这组操作能同步进程和改变管程中的数据。
管程相当于一个隔离区,它把共享变量和对它进行操作的若干个过程围了起来,所有进程要访问临界资源时,都必须经过管程才能进入,而管程每次只允许一个进程进入管程,从而需要确保进程之间互斥。
管程主要由这四个部分组成
1、管程内部的共享变量;
2、管程内部的条件变量;
3、管程内部并发执行的进程;
4、对局部于管程内部的共享数据设置初始值的语句。
所谓条件变量,即将等待队列和睡眠条件包装在一起,就形成了一种新的同步机制,称为条件变量。个条件变量CV可理解为一个进程的等待队列,队列中的进程正等待某个条件C变为真。
每个条件变量关联着一个断言
Pc。当一个进程等待一个条件变量,该进程不算作占用了该管程,因而其它进程可以进入该管程执行,改变管程的状态,通知条件变量CV其关联的断言Pc在当前状态下为真。
因而条件变量两种操作如下:
- wait_cv: 被一个进程调用,以等待断言Pc被满足后该进程可恢复执行. 进程挂在该条件变量上等待时,不被认为是占用了管程。
- 被一个进程调用,以指出断言Pc现在为真,从而可以唤醒等待断言Pc被满足的进程继续执行。
大概了解了原理之后,接下来我们开始分析具体的代码。
ucore中的管程机制是基于信号量和条件变量来实现的。管程的数据结构monitor_t如下:
typedef struct monitor{ semaphore_t mutex; // 二值信号量,只允许一个进程进入管程,初始化为1 semaphore_t next; //配合cv,用于进程同步操作的信号量 int next_count; // 睡眠的进程数量 condvar_t *cv; // 条件变量cv } monitor_t;
管程中的条件变量cv通过执行wait_cv,会使得等待某个条件C为真的进程能够离开管程并睡眠,且让其他进程进入管程继续执行;而进入管程的某进程设置条件C为真并执行
signal_cv时,能够让等待某个条件C为真的睡眠进程被唤醒,从而继续进入管程中执行。发出signal_cv的进程A会唤醒睡眠进程B,进程B执行会导致进程A睡眠,直到进程B离开管程,进程A才能继续执行,这个同步过程是通过信号量next完成的;而next_count表示了由于发出singal_cv而睡眠的进程个数。
条件变量
condvar_t的数据结构如下:
typedef struct condvar{ semaphore_t sem; //用于发出wait_cv操作的等待某个条件C为真的进程睡眠 int count; // 在这个条件变量上的睡眠进程的个数 monitor_t * owner; // 此条件变量的宿主管程 } condvar_t;
分析完数据结构之后,我们开始分析管程的实现。
ucore设计实现了条件变量
wait_cv操作和
signal_cv操作对应的具体函数,即
cond_wait函数和
cond_signal函数,此外还有
cond_init初始化函数。
先看看
cond_signal函数,实现如下:
void cond_signal (condvar_t *cvp) { cprintf("cond_signal begin: cvp %x, cvp->count %d, cvp->owner->next_count %d\n", cvp, cvp->count, cvp->owner->next_count); if(cvp->count>0) { //当前存在睡眠的进程 cvp->owner->next_count ++;//睡眠的进程总数加一 up(&(cvp->sem));//唤醒等待在cv.sem上睡眠的进程 down(&(cvp->owner->next));//把自己睡眠 cvp->owner->next_count --;//睡醒后等待此条件的睡眠进程个数减一 } cprintf("cond_signal end: cvp %x, cvp->count %d, cvp->owner->next_count %d\n", cvp, cvp->count, cvp->owner->next_count); }
首先进程B判断
cv.count,如果不大于0,则表示当前没有睡眠的进程,因此就没有被唤醒的对象了,直接函数返回即可;
如果大于0,这表示当前有睡眠的进程A,因此需要唤醒等待在
cv.sem上睡眠的进程A。由于只允许一个进程在管程中执行,所以一旦进程B唤醒了别人(进程A),那么自己就需要睡眠。故让
monitor.next_count加一,且让自己(进程B)睡在信号量
monitor.next上。如果睡醒了,这让
monitor.next_count减一。
同样,再来看看
cond_wait函数,实现如下:
void cond_wait (condvar_t *cvp) { //LAB7 EXERCISE1: YOUR CODE cprintf("cond_wait begin: cvp %x, cvp->count %d, cvp->owner->next_count %d\n", cvp, cvp->count, cvp->owner->next_count); cvp->count++;//需要睡眠的进程个数加一 if(cvp->owner->next_count > 0) up(&(cvp->owner->next));//唤醒进程链表中的下一个进程 else up(&(cvp->owner->mutex));//否则唤醒睡在monitor.mutex上的进程 down(&(cvp->sem));//将自己睡眠 cvp->count --;//睡醒后等待此条件的睡眠进程个数减一 cprintf("cond_wait end: cvp %x, cvp->count %d, cvp->owner->next_count %d\n", cvp, cvp->count, cvp->owner->next_count); }
可以看出如果进程A执行了
cond_wait函数,表示此进程等待某个条件C不为真,需要睡眠。因此表示等待此条件的睡眠进程个数cv.count要加一。接下来会出现两种情况。
情况一:如果
monitor.next_count如果大于0,表示有大于等于1个进程执行
cond_signal函数且睡着了,就睡在了
monitor.next信号量上。假定这些进程形成S进程链表。因此需要唤醒S进程链表中的一个进程B。然后进程A睡在
cv.sem上,如果睡醒了,则让
cv.count减一,表示等待此条件的睡眠进程个数少了一个,可继续执行。
情况二:如果
monitor.next_count如果小于等于0,表示目前没有进程执行
cond_signal函数且睡着了,那需要唤醒的是由于互斥条件限制而无法进入管程的进程,所以要唤醒睡在
monitor.mutex上的进程。然后进程A睡在
cv.sem上,如果睡醒了,则让
cv.count减一,表示等待此条件的睡眠进程个数少了一个,可继续执行了!
这样我们就可以在此基础上继续完成哲学家就餐问题的解决了,主要是就是如下的两个函数:
void phi_take_forks_condvar(int i) { down(&(mtp->mutex)); //通过P操作进入临界区 state_condvar[i]=HUNGRY; //记录下哲学家i是否饥饿,即处于等待状态拿叉子 phi_test_condvar(i); while (state_condvar[i] != EATING) { cprintf("phi_take_forks_condvar: %d didn't get fork and will wait\n",i); cond_wait(&mtp->cv[i]);//如果得不到叉子就睡眠 } //如果存在睡眠的进程则那么将之唤醒 if(mtp->next_count>0) up(&(mtp->next)); else up(&(mtp->mutex)); } void phi_put_forks_condvar(int i) { down(&(mtp->mutex));//通过P操作进入临界区 state_condvar[i]=THINKING;//记录进餐结束的状态 phi_test_condvar(LEFT);//看一下左边哲学家现在是否能进餐 phi_test_condvar(RIGHT);//看一下右边哲学家现在是否能进餐 //如果有哲学家睡眠就予以唤醒 if(mtp->next_count>0) up(&(mtp->next)); else up(&(mtp->mutex)); }
至此,基于条件变量的哲学家就餐问题也得以解决。
实验结果
通过make qemu得到结果如下图:
对比实验指导书,实验成功!
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