操作系統(tǒng)原理

1、操作系統(tǒng)原理實(shí)驗(yàn)二、線程/進(jìn)程及其調(diào)度重慶大學(xué)軟件學(xué)院 洪明堅(jiān)2014年8月實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握線程的內(nèi)部表示、調(diào)度和切換 EPOS線程的表示 線程控制塊（Task Control Block，TCB） 線程的棧 EPOS線程的調(diào)度 調(diào)度算法 EPOS線程的切換EPOS線程的表示struct tcb /*hardcoded*/ uint32_t kstack; /*saved top of the kernel stack for this task*/ int32_t tid; /* task id */ int32_t state; / 狀態(tài)#define TASK_STATE_BLOCKED

2、-1 / 阻塞#define TASK_STATE_READY 1 / 就緒#define TASK_STATE_ZOMBIE 2 / 僵尸 int32_t quantum; / 時(shí)間片#define DEFAULT_QUANTUM 10 int32_t exit_code; / 退出代碼 struct wait_queue *wait_head; / 等待該線程退出的線程隊(duì)列 struct tcb *all_next; / 所有線程的鏈表指針;EPOS線程的表示 思考題 如何創(chuàng)建EPOS線程？EPOS線程如何退出？ 請(qǐng)自行閱讀應(yīng)用程序源代碼（app/main.c），掌握線程的創(chuàng)建和退出 線程

3、函數(shù)的最后，一定要調(diào)用task_exit，不能直接return！為什么？實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 隨機(jī)生成一個(gè)整數(shù)列表，然后創(chuàng)建3個(gè)線程，分別用3種不同的排序算法對(duì)列表進(jìn)行排序 用函數(shù)srand及random（app/rand.c）生成隨機(jī)數(shù) 進(jìn)入圖形模式，沿垂直方向把屏幕等分成3個(gè)區(qū)域，每個(gè)排序線程用一個(gè)區(qū)域，動(dòng)態(tài)顯示排序過(guò)程，運(yùn)行效果如這里 參考video.c和main.c線程的棧tid用戶模式棧User mode stack內(nèi)核模式棧Kernel mode stack內(nèi)核模式棧：線程在內(nèi)核模式運(yùn)行時(shí)所用的棧，用于在中斷處理、系統(tǒng)調(diào)用等過(guò)程中保存現(xiàn)場(chǎng)（struct context）、臨時(shí)變量、函數(shù)參數(shù)和返

4、回地址等等；由內(nèi)核在創(chuàng)建線程（sys_task_create，task.c）時(shí)申請(qǐng)用戶模式棧：線程在用戶模式運(yùn)行時(shí)所用的棧，用于在函數(shù)調(diào)用過(guò)程中保存臨時(shí)變量、函數(shù)參數(shù)和返回地址等等；由用戶自己申請(qǐng)，并作為參數(shù)傳遞給task_create（app/syscall.S）內(nèi)核級(jí)線程不需要用戶模式棧Low addrHigh addrLow addrHigh addrstruct tcbkstack棧的切換 用戶棧到內(nèi)核棧 何時(shí)切換？ 中斷處理或系統(tǒng)調(diào)用時(shí) 切換時(shí)，要用臨時(shí)內(nèi)核棧（tmp_stack）做過(guò)渡 為什么？因?yàn)镃PU從用戶模式切換到內(nèi)核模式時(shí)，總是把棧頂指針（ESP）設(shè)為tmp_stack t

5、mp_stack定義在entry.S中 內(nèi)核棧到用戶棧 何時(shí)切換？ 中斷返回或系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束時(shí)棧的切換：用戶棧 內(nèi)核棧#define hwint(irq, enable_icus) 保存現(xiàn)場(chǎng) movl _g_task_running, %eax; cmpl $0, %eax; je 3f; movl 56(%esp), %ebx; testl $3, %ebx; jz 3f; movl %ecx, %edx; shll $2, %edx; movl %esp, %esi; movl (%eax), %esp; subl %edx, %esp; movl %esp, %edi; cld; rep

6、movsd; 3:; 中斷處理中斷處理是否從用戶模式中來(lái)？保存現(xiàn)場(chǎng)到把現(xiàn)場(chǎng)（struct context）從臨時(shí)內(nèi)核棧移到當(dāng)前線程的內(nèi)核棧，并切換到當(dāng)前線程的內(nèi)核棧是否棧的切換：內(nèi)核棧 用戶棧 .globl _ret_from_syscall_ret_from_syscall: 3: popl %fs popl %es popl %ds popal addl $8, %esp # discard exception and errorcode iret恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)指令I(lǐng)RET依次彈出EIP, CS和EFLAGS如果將返回到用戶模式，還要彈出ESP和SS以切換回線程的用戶模式棧棧的切換 因此，中斷處

7、理和系統(tǒng)調(diào)用是在當(dāng)前線程的上下文中執(zhí)行的！ 臨時(shí)內(nèi)核棧（tmp_stack）只起過(guò)渡作用！ 總而言之，操作系統(tǒng)內(nèi)核總是代表著某個(gè)線程在執(zhí)行指令！ 內(nèi)核披著線程的外衣在運(yùn)行棧的切換 思考題 當(dāng)線程回到用戶模式下運(yùn)行時(shí)，它的內(nèi)核棧一定是空的。為什么？EPOS線程的調(diào)度 調(diào)度函數(shù) void schedule() task.c 何時(shí)調(diào)度？ 由全局變量“g_resched”決定 請(qǐng)自行閱讀timer.c中的函數(shù)isr_timer尋找答案 isr_timer是系統(tǒng)定時(shí)器的中斷處理函數(shù) 理論上，系統(tǒng)定時(shí)器每秒鐘觸發(fā)100次中斷 目前只實(shí)現(xiàn)了輪轉(zhuǎn)算法（round-robin） 請(qǐng)自行閱讀task.c中函數(shù)sc

8、hedule的實(shí)現(xiàn)EPOS線程的切換 調(diào)度器選擇了一個(gè)可運(yùn)行的線程new后，要把CPU從當(dāng)前線程切換到new運(yùn)行 當(dāng)前線程：g_task_running 切換函數(shù) void swtich_to(struct tcb *new) machdep.cvoid switch_to(struct tcb *new) _asm_ _volatile_ ( pushalnt pushl $1fnt movl %0, %eaxnt movl %esp, 0(%eax)nt addl $36, %espnt : :m(g_task_running) :%eax ); g_task_running = new;

9、 _asm_ _volatile_ ( movl %0, %eaxnt movl 0(%eax), %espnt retnt 1:nt popalnt : :m(g_task_running) :%eax );EPOS線程的切換g_task_running-kstack=ESPnewtid內(nèi)核模式棧Kernel mode stackkstacktid內(nèi)核模式棧Kernel mode stackkstackESP=g_task_running-kstackg_task_runningEPOS線程的切換 從函數(shù)switch_to可以看出 線程切換只是切換了兩個(gè)線程的內(nèi)核棧，也就是說(shuō) 切換了內(nèi)核棧，就切換了線程！EPOS線程的切換 思考題 在創(chuàng)建一個(gè)新的線程時(shí)，如何構(gòu)造它的現(xiàn)場(chǎng)，使得它可以用switch_to函數(shù)啟動(dòng)？ 請(qǐng)自行閱讀task.c中的函數(shù)sys_task_create以找到答案 特別是machdep.h中定義的宏INIT_TASK_CONTEXT實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 重寫函數(shù)schedule，實(shí)現(xiàn)基于優(yōu)先級(jí)的線程調(diào)度 增加系統(tǒng)調(diào)用”int task_set_priority(int tid, int new_priority)”，用于改變線程的優(yōu)先級(jí) tid必須大于0 該系統(tǒng)調(diào)用返回線程之前的優(yōu)先級(jí) 測(cè)試你的調(diào)度器 注意 需