Nachos同步机制实习报告.docx
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Nachos同步机制实习报告.docx
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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
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)
Exercise1
Exercise2
Exercise3
Exercise4
Challenge1
Challenge2
Yes
Yes
Yes
Yes
Yes
Yes
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/synch.cc
code/threads/synchlist.h和code/threads/synchlist.cc
阅读情况
Synch.cc(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。
Synchlist.cc(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:
修改情况
简单解释
新增List变量conditionlist
容纳正在等待某个signal的线程
Wait函数:
1.对传入的Lock参数执行Release
2.关中断
3.将当前线程加入conditionlist,当前线程Sleep
4.对传入的Lock参数执行Acquire
5.开中断
Release的原因是,由于管程的互斥访问性,当一个线程需要wait一个signal时,需要让出CPU。
而在Nachos系统中,管程的互斥访问是由Lock保证的,为了防止死锁,需要在当前线程进入休眠之前释放lock。
当线程再次被唤醒时,需要再次Acquire这把锁。
Signal函数:
1.关中断
2.如果conditionlist队列不为空,将队头线程取出,并放入ReadyToRun队列
3.开中断
Signal函数即唤醒一个正在等待这个条件变量的线程。
Broadcast函数:
1.关中断
2.将conditionlist队列中所有线程取出,并放入ReadyToRun队列
3.开中断
Broadcast函数即唤醒所有正在等待这个条件变量的线程。
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)
修改情况:
新增测试变量和函数
简单解释
测试变量:
1.isFull信号量,初始值为0
2.isEmpty信号量,初始值为N(N为生产者可以放入的最大数量,设为5)
3.M1信号量
4.生产数组
如果生产数组内元素数量达到N,则会被isFull信号量阻塞,生产者需要等待;如果生产数组内元素数量为0,则会被isEmpty信号量阻塞,消费者需要等待。
M1信号量用于保证生产数组的互斥访问。
Producer函数
1.isEmpty->P()
2.在M1信号量保护下访问生产数组,加入一个元素
3.isFull->V()
由于IsEmpty信号量初始值为N,则生产者最多可以进入producer函数N次;相应的,isFull信号量会被释放至多N次
Consumer函数
1.isFull->P()
2.在M1信号量保护下访问生产数组,移出一个元素
3.isEmpty->V()
由于isFull信号量在生产者生产之后会被释放,因此此时消费者可以消费。
相应的,isEmpty信号量被释放,使得生产者可以继续生产。
Test_Producer函数
For循环40次,调用producer函数
生产者生产(至多)40次。
(因为可以有多个生产者)
Test_consumer函数
For循环40次,调用consumer函数
消费者消费(至多)40次。
(因为可以有多个消费者)
ThreadTest函数
新生成1个生产者线程(装载Test_producer函数)和2个消费者线程(装载Test_consumer函数)
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:
增改测试变量和函数
简单解释
Synchlist.cc:
新增变量
1.ListEmpty条件变量
2.ListFull条件变量
3.Listcount计数值
1和2同信号量部分的isEmpty和isFull语义
计数值用于判断生产队列是否满了
Append函数:
1.加锁
2.如果生产队列满,等待ListEmpty条件变量
3.否则将新元素加入生产队列
4.SignallistFull条件变量
5.解锁
加锁解锁保证管程函数执行的互斥性。
如果生产队列满,则等待消费者消费之后,发送listEmpty条件变量。
生产之后,发送listFull条件变量,激活等待消费的消费者
Remove函数
1.加锁
2.如果生产队列空,等待listFull条件变量
3.否则从生产队列头取出一个元素
4.SiignallistEmpty条件变量
5.解锁
是Append函数的对偶版本。
Monitor_producer函数
For循环40次,往Synchlist管程里的队列放入元素
同test_producer
Monitor_consumer函数
For循环40次,消费Synchlist管程里的队列的元素
同test_consumer
ThreadTest函数
新生成1个生产者线程(装载Monitor_producer函数)和2个消费者线程(装载Monitor_consumer函数)
测试结果截图:
测试情况详细分析:
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。
完成情况
增改处
简单解释
Condition类:
1.增加waitcount计数值,表示等待条件变量的队列中的线程个数
2.增加Barrier函数,在函数中,判断waitcount是否达到规定值,如果达到,则广播所有队列中的线程;否则令当前线程进入等待状态
若还没达到规定值,则线程需要等待;若达到了,则释放所有等待线程。
这样就可以使得规定值个数的线程“同步”运行
其中,规定值设为3
新增Barrier类:
仿照synchlist类,实现了一个互斥访问的管程。
在管程函数里,调用barrier函数
测试函数:
新建3个线程,每个线程用for循环调用同一个Barrier类的函数10次
意图让线程均输出了i之后,再接着输出i+1
测试结果截图
未使用Barrier:
使用Barrier
Challenge2:
实现read/writelock
任务
基于Nachos提供的lock(synch.h和synch.cc),实现read/writelock。
使得若干线程可以同时读取某共享数据区内的数据,但是在某一特定的时刻,只有一个线程可以向该共享数据区写入数据。
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reader函数和writer函数所有的代码语句后面都调用了interrupt->onetick)
修改情况:
增改变量及函数
简单解释
变量:
Lockmutex
Lockw
Mutex用于保护共享变量rc(记录读者数量)
W用于读者和写者访问临界区的互斥性
Reader函数
1.Mutex上锁
2.Rc加1。
如果rc等于1,w上锁
3.Mutex解锁
4.读操作
5.Mutex上锁
6.Rc减1。
如果rc等于0,w解锁
Mutex解锁
Mutex保护共享变量rc,因为可以允许多个读者处于读状态,因此rc可能会被多个读者同时访问,需要保护起来。
W互斥读者和写者,第一类读写者问题是读者优先,因此若临界区内有读者,写者就会被w阻塞在临界区外,直到所有读者离开临界区。
Writer函数
1.W上锁
2.写操作
3.W解锁
写者能够进入临界区当且仅当临界区内没有读者。
但写者在临界区内的时候,读者不能进入。
测试函数:
新建一个写者和两个读者,并且让他们分别写(读)10次。
测试结果截图:
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,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
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- 关 键 词:
- Nachos 同步 机制 实习 报告