基于nachos线程工作机制与系统调用及多道程序分析课程设计

1、 操作系统课程设计操作系统课程设计 专业名称：专业名称：_软件工程_ 操作系统课程设计操作系统课程设计 基于 nachos 的课程设计 主要完成工作：阅读代码，完成基于线程优先级调度，多道程序设计，完成小组课程设计报告 基于线程优先级调度部分 一、问题分析及工作原理一、问题分析及工作原理 线程运行机制图线程运行机制图： call Scheduler:ReadyToRun (Thread *thread) Scheduler:Run (Thread *nextThread, Yield () bool finishing) voidThread:Sleep Scheduler: (bool fi

2、nishing) ReadyToRun (Thread *thread) 进程的基本状态：就绪，运行，阻塞 进程程的基本操作：创建，阻塞，唤醒 Thread:Thread() Ready Thread:Yield() Thread:Fork() Thread *Scheduler: FindNextToRun () Running voidThread:Sleep (bool finishing) Blocked Fork 方法调用 StackAllocate， 分配一块固定大小的内存作为线程的堆栈， 设置栈首指针， 线程准备好运行后进行线程切换， 会切换到 ThreadRoot 函数。 Th

3、readRoot函数将会开中断，并调用 func(arg)成为一个独立的调度单位。然后设置 PC 指针，从ThreadRoot 开始运行，初始化宿主机寄存器，为 ThreadRoot 作好准备，ThreadRoot将分别调用 InterruptEnable， func(arg)和 ThreadFinish。Yield 方法用于本线程放弃处理机。Sleep 方法可以使当前线程转入阻塞态，并放弃 CPU，直到被另一个线程唤醒，把它放回就绪线程队列。如果没有就绪线程时，就把时钟前进到一个中断发生的时刻，让中断发生并处理此中断，这是因为在没有线程占用 CPU 时，只有中断处理程序可能唤醒一个线程，并把

4、它放入就绪线程队列。 Scheduler 类用于实现线程的调度。它维护一个就绪线程队列，当一个线程可以占用处理机时，就可以调用 ReadyToRun 方法把这个线程放入就绪线程队列，并把线程状态改成就绪态。 FindNextToRun 方法根据调度策略， 取出下一个应运行的线程，并把这个线程从就绪线程队列中删除。如果就绪线程队列为空，则此函数返回空(NULL)。现有的调度策略是先进先出策略(FIFO) 二、二、算法思想设计：算法思想设计： 为线程（Thread）添加 priority 属性，用来描述每个线程的优先级，并在线程创建时设置或创建后修改线程的优先级，加入就绪队列（readyList）

5、时，先比较当前线程和就绪队列里的线程的优先级，优先级高的插入在前面，如果优先级相同，则两个线程按先后顺序排列，相当与先来先服务（FCFS） ，这样，当 CPU 空闲时需要从就绪队列取出一个线程时，取出的总是优先级最高的线程。 三、三、详细设计及关键代码分析详细设计及关键代码分析： 首先，为线程（Thread）添加 priority 属性，用来描述每个线程的优先级，并添加 int setpriority()设置进程优先级和 getpriority（）获得线程优先级的函数，并增加新的构造函数 Thread(char* threadName ,int prio) /Thread.h/Thread.h

6、 /添加了 priority 属性以及 getPriority()和 setpriority() /添加了新的构造函数 Thread(char* threadName ,int prio) /thread.cc /在原来的构造函数 Thread（char *threadName）中设置默认优先级为最高（0） /新的构造方法 Thread(char* threadName ,int prio) 然后修改 readyList 为 SortedList 类型（原来为 List 类型） ，方便插入就绪线程，对线程进行排序。 /Scheduler.h 当一个线程需要加入到就绪队列时不是采用原来的(thr

7、ead)将线程加入到最后， 而是利用 Insert(thread)将线程按优先级插入到就绪队列 /Scheduler.cc 修改 SelfTest()创建几个不同优先级的进程进行测试 /Thread.cc 以上创建了四个不同优先级的线程，按优先级高的线程优先执行，如果优先级相同，则按照等待时间长的优先运行，线程优先级为 t3t1t2=t4t3t1t2=t4 而由于线程2先于线程4加入等待队列则线程2先执行，故执行顺序应该为： t3t3- -t1t1- -t2t2- -t4t4 四、四、测试测试及结果分析：及结果分析： ./nachos -K 实际运行结果如下： 由以上运行结果可知进程是按优先级

8、高低顺序来执行的 五、多道程序部分五、多道程序部分 主要完成以下设计： 1.exec 系统调用 exec 用于执行一个可执行文件 首先从 4 号寄存器读取系统调用的参数(即传递的可执行文件名指针,也就是在内存的地址),然后从内存读取文件名,打开文件,使用该可执行文件初始化一个新的进 程空间,将当前的进程的地址空间覆盖,初始化所有的寄存器值,恢复到进程空间, 开始执行。 2.Open 系统调用 Open 系统调用用于打开一个文件,返回文件描述符。 可以调用 nachos 系统封装的 打开文件的方法,这个方法是调用了底层的操作系统的方法,然后打开的是宿 主系统的文件。然后将打开的文件描述符写到 2

9、 号寄存器,执行下一条指令。 3.Read 系统调用 read 系统调用传递打开的文件描述符,读的大小,缓冲区地址用于存放读的内容, 返回读得字节数。 首先从寄存器取得参数,然后调用 nachos 封装宿主机的方法读取 内容以及读到的字节数,然后将内容写到 nachos 模拟的物理内存,地址是 刚刚接受的参数,最后将读到的字节数写道 2 号寄存器,执行下一条指令。 4.Write 系统调用 先读取内容的地址(在内存中),读取写入的大小以及要 写入的文件描述符,然后写到文件中(调用 nachos 封装的方法)。 六六、问题分析问题分析 在实现多道程序时出现了比较多的问题，导致最后没能完成，首先，

10、我们对多道程序运行机制进行了详细的了解，并根据源码中的样例 ADD 的执行过程，单步跟踪，深入了解了 NACHOS 是如何执行用户程序的，然后进行算法思想的设计，即如何实现多道程序，在实现系统调用程序设计阶段，主要系统调用未能实现，主要原因是由于对代码的整体把握出错， 由于在设计及分析阶段只了解了 NACHOS 运行用户程序的详细流程以及如何进行用户程序的调用，而对代码的整体了解不够，导致在根据设计思路完成程序设计的过程中，出现了比较大的问题，比如在实现 EXEC 系统调用时，根据 NACHOS 的每个寄存器存的内容不同，按规则读取寄存的内容，然后再进行对其内容的操作，模仿源代码已有的操作 A

11、DD 系统调用，实现 EXEC 系统调用。在测试程序运行时，出现了 cannot open file 的错误，主要原因是：由于在代码实现时，写错了文件名所在寄存器，导致无法打开文件，所以就没能完成文件调用的测试。而对EXEC 系统调用的其他部分则是正确的，其他几个系统调用也出现了同样的问题，但是这个问题一直未能发现，导致本次设计无法顺利进行下去。 七七、心得及体会、心得及体会 本次课程设计对我的提升还是非常大的， 首先， 由于分析了 NACHOS 的主要代码以及详细运行过程， 对操作系统中的基本原理和核心算法有一个全面和完整的了解。对操作系统课上的内容有了更深了理解，包括线程管理，内存管理，系统调用机制，时钟中断，多道