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

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)

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。

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：

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fork 出来的线程才能获得锁，才能运行，运行结果如下：

2. Condition

简述：

Exercise4：实现同步互斥实例

任务

基于Nachos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（其中使用条件变量实现同步互斥机制为必选题目）。具体可选择“生产者-消费者问题”、“读者-写者问题”、“哲学家就餐问题”、“睡眠理发师问题”等。（也可选择其他经典的同步互斥问题）

完成情况

1.基于Nachos信号量实现“生产者-消费者”问题

（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）

测试结果截图：

2. 基于Nachos 的条件变量实现“生产者-消费者”问题

（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：

测试结果截图：

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。