Nachos同步机制实习报告

同步机制实习报告善良的大姐姐
2015.3.30
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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 (13)
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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）
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。

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Exercise2：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/
code/threads/synchlist.h和code/threads/
阅读情况
(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。

(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：
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出连输接before fork
再接连输出after fork
出来的线程才fork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，它能获得锁，才能运行，运行结果如下：
一个线程输before 出了after fork和另之后，fork一个线程才能输出
Condition
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：实现同步互斥实例Exercise4任务
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（其中使基于Nachos写“读者-。

具体可选择“生产者-消费者问题”、用条件变量实现同步互斥机制为必选题目）等。

（也可选择其他经典的同步互斥问题）、“哲学家就餐问题”、“睡眠理发师问题”者问题”
完成情况-消费者”问题基于Nachos信号量实现“生产者1.
（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：
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测试结果截图：
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
消费者”问题Nachos的条件变量实现“生产者-2.基于（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
.
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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。

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测试情况详细分析：
消费者2试图加锁进入管程，但由于管程互斥锁此时在消费者1手中，因此消费者2继续等待
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。

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次10个Barrier类的函数测试结果截图
用使未Barrier:
Barrier 使用
同步（三个线程均之后才进入输出iinterrupt下一个，表示时间片到了切）换线程。

不同步
read/write lock
：实现Challenge2任务。

使得若干线程可以同时locklock(synch.hNachos提供的和)，实现read/write 基于只有一个线程可以向该共享数据区写但是在某一特定的时刻，读取某共享数据区内的数据，入数据。

完成情况（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
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测试结果截图：。

读以可同时读者之间可finishstart和（以认为是临界区）
写者在临界区里时，即使发生，也无interrupt了（线程切换）法让读者进入。

即读者和写者不能同时访问临界区
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三：遇到的困难以及解决方法
困难1：我在完成lab2线程调度实验中，在readyToRun函数中对当前线程执行了yield操作，导致lab3中V函数的原子性被破坏。

（V函数会调用readyToRun 函数）
解决方式：将线程Yield的过程单独封装成一个函数，readyToRun函数仅仅负责将当前线程放入可执行队列当中。

对于新建的一个线程（可能可以抢占当前线程），先调用该函数，判断是否抢占。

如果抢占，则让当前线程yield；否则，调用readyToRun函数。

困难2：思考如何实现condition的wait函数，曾一度觉得synchlist中会造成死锁
解决方式：详细了解了管程机制之后，发现只要在wait函数中，先对传入的Lock参数执行释放（Release）操作，当前线程再进入休眠状态，问题就可以解决了。

困难3：在写“生产者-消费者”问题的测试函数时，从队列中读出来的值总是等于最后一个加入队列的值（比如加入队列1,2,3,4，读出来会是4,4,4,4）
解决方式：由于传入的是(void *)，是一个指针。

因此我直接传入了for循环中的i的地址，这就导致了i的值虽然在变化，但i的地址是不变的，所以读出来总会等于最后一个加入队列的值。

之后专门创建了一个buffer数组，使得不同的值对应不同的地址，问题就解决了。

困难4：一开始是用lock的acquire和release实现condition，但测试函数结果和预期的不相符
解决方式：经过研究，我发现，造成错误的原因，是lock的release函数，会使得value值增加。

这就意味着，即使等待信号的队列为空，signal函数也会释放一个资源。

这样之后，若还有wait 函数调用，就不会被阻塞，而是直接通过。

这不符合管程中wait和signal的语义（我查了上学期操作系统的课件，课件上说，若是等待队列为空，则signal函数为空操作）。

于是我将Lock换成了队列，当队列不为空的时候才让signal和broadcast函数起作用。

四：收获及感想
这次的lab消耗了比预期多的时间，主要问题在于condition的实现。

需要仔细了解了管程机制之后，才知道如何编写。

详情可参看【困难4】。

此外，测试函数也需要开动脑筋，.
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不仅需要写出来，而且还要通过合适位置的输出，来判断程序是否按照自己预期的样子运行。

这个过程同样需要对同步机制有较好理解，才能理清楚。

做了这次lab，觉得自己对于同步机制又多了一层了解，而且代码和报告均是自己独立完成，没有参考网上前人的报告，觉得挺高兴的！
内容五：参考文献
[1]陈向群同步机制操作系统课件2014版
[2]linux同步机制网络博客
[3]小组成员：王丰condition的实现方式讨论.。