操作系统期末总结-北大

Nachos线程管理
1.Nachos 中 的 线 程 是 在 内 核 中 以 一 个 thread类的对象的方式实现的。线程 控制块是以类的数据成员的方式实现。 2.线程的状态存储在ThreadStatus 类 型 的 status 数 据 成 员 中 。 ThreadStatus定义如下:
enum ThreadStatus { JUST_CREATED, RUNNING, READY, BLOCKED };
ThreadTest是一个测试函数。定义如下：
void ThreadTest() { DEBUG(’t’, "Entering SimpleTest"); Thread *t = new Thread("forked thread"); t->Fork(SimpleThread, 1); SimpleThread(0); } 这个函数创建了一个名为forked thread的线程去执行SimpleThread 函数。 SimpleThread定义如下： void SimpleThread(int which) { int num; for (num = 0; num < 5; num++) { printf("*** thread %d looped %d times\n", which, num) ; currentThread->Yield(); } }
下面我们先来介绍下Nachos内核定义的几个全局变量。 在threads/目录下至少定义了6个全局变 量。 它们是： Thread *currentThread; // 当前执行线程 Thread *threadToBeDestroyed; // 刚结束的线程 Scheduler *scheduler; //就绪队列 Interrupt *interrupt; //中断状态。 Statistics *stats; //性能标准。 Timer *timer; // 计时器设备，用于导致线程上下文切换。
ThreadRoot是一个函数名，它是由汇编实现。 InterruptEnable和ThreadFinish是两个静态函数 名称。它们都被存储在MachineState数组中。代表各 个寄存器的值。 线程入口函数地址被存储在以InitialPCState为下标 （0号位置）的数组中。线程函数参数被存储在以 InitialArg（1号位置）为下表的MachineState数组中。 当线程开始运行时MachineState[InitialPCState] 会被加载到ra寄存器。ra被称为返回地址寄存器，存储 线程函数的第一条指令开始的位置。 ThreadRoot是以汇编形式写成的，它是在线程运行前 第一个被运行的函数。
在Nachos中，用户线程都是以内核线程的方 式开始的，当加载用户程序且创建地址空间之 后，内核线程就转变成了用户线程。 就绪队列用于存储所有处于就绪状态的线 程或进程。与IO设备有关的队列存储处于阻 塞态的线程或进程，它们都在等待IO请求完 成。 线程调度程序在这些队列间移动线程或进 程。
每一个目标模块都有自己的代码段，已初始 化段，符号表和重定位信息。链接器的任务就 是通过在各个模块中符号的交叉引用，将各个 目标模块合并成一个模块。 可执行文件中存储的地址是逻辑地址。在程 序运行前逻辑地址需要被转换成物理地址。这 个转换操作是通过一个叫做MMU的硬件设备 执行的。系统可以将模块加载到内存的不同的 位置，这可以由重定位寄存器实现。 Nachos中使用machine.h类对象来模 拟运行程序的机器环境。
currentThread指向当前运行线程。scheduler指向 内核负责调度线程和管理就绪队列的Scheduler类对象。 这些全局变量会Nachos系统启动时被创建。创建这 些变量的函数为： Initialize(int argc, char **argv) ThreadFinish会在线程从线程入口函数返回时被调 用，它仅仅调用thread类的Finish函数。在Finish函 数中它将threadToBeDestroyed设置为 currentThread。此后，原来线程的清理工作就交给 了新线程。
一个线程在其初始化的最后准备工作中调用 StackAllocate方法，该方法设置了几个寄存器的值， （InterruptEnable函数指针，ThreadFinish函数 指针以及该线程需要运行函数的函数指针和运行函数的 参数），该线程第一次被运行时调用的就是 ThreadRoot函数。其工作过程是： 1. 调用StartupPC函数，它指向InterruptEnable 函数。执行开中断操作； 2. 调用InitialPC 函数，指向线程入口函数； 3. 调用WhenDonePC函数，该函数调用 CurrentThread->Finish()结束线程的运行； Nachos的线程上下文切换是通过调用Scheduler 的Run函数来进行的。
主线程和新建线程都执行 SimpleThread函数。它们不断进行 线程上下文切换直到结束。 main函数的最后调用的函数是 currentThread->Finish()。这个 函数决不会返回。因为在线程上下文切 换后，这个线程会被新线程释 放。
Nachos内存管理实现
存储器管理包括两个层次的内容：分别是内存管理和文 件系统管理。 每个用户进程都是自己的地址空间。当进程运行时它们 都会被加载到内存中。 接下来我们仍使用Nachos源代码来讲述地址空 为了运行一个程序，需要执行一下三步： 1：编译器将各个模块的源代码编译成对应的目标代码模块。 2：连接器将各个目标代码模块链接到一起，形成一个可执 行文件。 3：加载器将可执行文件加载到内存中。
Nachos中，作业调度程序，是一个 Scheduler类的对象实现的。它的方 法提供了所有对线程或进程调度的功能。 当系统启动时Scheduler对象会以一 个全局变量scheduler的方式被创建。
Scheduler的唯一的数据成员是就绪队列。它存储所有 处于READY（就绪）状态的线程。 ReadyToRun函数将一个线程添加到就绪队列的尾 部。 FindNextToRun返回队首线程指针。 Scheduler类最有意思的方法是Run。该方法调用 使用汇编写成的SWITCH函数来将当前线程上下文切换 到另外一个线程的上下文。 当一个Thread类构造函数被调用时，它仅仅是初始化成 员变量将线程状态变为JUST_CREATED状态。此时线 程还不能运行，因为它的线程栈还没有被分配而且线程 控制块还没有被初始化，更重要的PC寄存器没有赋值， 程序不知道从哪里开始执行。
在Nachos中用户线程是从核心线程继承而来 的。 userRegisters数组是用户存储用户寄 存器值的数组。其大小由NumTotalRegs确 定。 MachineState存储在内核状态下运行 的线程的状态。而用userRegisters数组存 储在用户模式下运行的线程状态。 在Nachos中，用户线程都是以内核线程 的方式开始的，当加载用户程序且创建地址空 间之后，内核线程就转变成了用户线程
Fork(VoidFunctionPtr func, int arg) Fork方法负责线程栈的分配，func是线程函数入口地 址，arg是线程函数。
AllocBoundedArray分配线程栈并将 stack指向线程栈底部。 stack指向线程栈顶部。 宏 PCState, StartupPCState, InitialPCS tate,InitialArgState和 WhenDonePCState, 分别代 表 9, 3, 0 , 1和2。
除了main线程外，所有其它线程都是从ThreadRoot 开始运行的。它的语法是： ThreadRoot(intInitialPC, int InitialArg, int W henDonePC,int StartupPC) 其中，InitialPC指明新生成线程的入口函数地址， InitialArg是该入口函数的参数；StartupPC是在运 行该线程是需要作的一些初始化工作指向 InterruptEnable函数。，比如开中断；而 WhenDonePC是当该线程运行结束时需要作的一些后 续工作，指向ThreadFinish函数。在Nachos的源代 码中，没有任何一个函数和方法显式地调用 ThreadRoot函数，ThreadRoot函数只有在线程切 换时才被调用到。
在SWITCH执行完线程上下文切换后， 我们看到有这样一句代码： if (threadToBeDestroyed != NUL L) { delete threadToBeDestroyed; threadToBeDestroyed = NULL;
}



这些代码就是新线程执行清理操作。 每次执行线程上下文切换后，新线程都会检查 threadToBeDestroyed，将老线程清理掉。 接下来我们来讨论下Nachos内核。Nachos内核是 Nachos操作系统的一部分。内核本身也是一个程序， 它必须也有个main()函数。在threads/文 件内可以找到main函数。main函数主要执行一下操作： 1：调用Initialize(); 2:调用ThreadTest(); 3：currentThread->Finish(); Initialize执行创建并初始化全局变量的工作。
线程的状态必须是以上枚举类型之一。当线程的状 态改变时，status值相应的改变。线程有自己的线 程栈和寄存器。Nachos的线程栈在线程状态从 JUST_CREATED变为RUNNING时被申请。 thread类的构造函数会设置threadname，并且 将线程状态设置为JUST_CREATED。stack是指 向栈底的指针（栈溢出检查）。stackTop指向栈 顶。包括PC在内的其他寄存器都被存储在 MachineState数组内。数组的大小有 MachineStateSize确定。