操作系统原理

1、操作系统原理实验二、线程/进程及其调度重庆大学软件学院 洪明坚2014年8月实验目的 掌握线程的内部表示、调度和切换 EPOS线程的表示 线程控制块（Task Control Block，TCB） 线程的栈 EPOS线程的调度 调度算法 EPOS线程的切换EPOS线程的表示struct tcb /*hardcoded*/ uint32_t kstack; /*saved top of the kernel stack for this task*/ int32_t tid; /* task id */ int32_t state; / 状态#define TASK_STATE_BLOCKED

2、-1 / 阻塞#define TASK_STATE_READY 1 / 就绪#define TASK_STATE_ZOMBIE 2 / 僵尸 int32_t quantum; / 时间片#define DEFAULT_QUANTUM 10 int32_t exit_code; / 退出代码 struct wait_queue *wait_head; / 等待该线程退出的线程队列 struct tcb *all_next; / 所有线程的链表指针;EPOS线程的表示 思考题 如何创建EPOS线程？EPOS线程如何退出？ 请自行阅读应用程序源代码（app/main.c），掌握线程的创建和退出 线程

3、函数的最后，一定要调用task_exit，不能直接return！为什么？实验内容 随机生成一个整数列表，然后创建3个线程，分别用3种不同的排序算法对列表进行排序 用函数srand及random（app/rand.c）生成随机数 进入图形模式，沿垂直方向把屏幕等分成3个区域，每个排序线程用一个区域，动态显示排序过程，运行效果如这里 参考video.c和main.c线程的栈tid用户模式栈User mode stack内核模式栈Kernel mode stack内核模式栈：线程在内核模式运行时所用的栈，用于在中断处理、系统调用等过程中保存现场（struct context）、临时变量、函数参数和返

4、回地址等等；由内核在创建线程（sys_task_create，task.c）时申请用户模式栈：线程在用户模式运行时所用的栈，用于在函数调用过程中保存临时变量、函数参数和返回地址等等；由用户自己申请，并作为参数传递给task_create（app/syscall.S）内核级线程不需要用户模式栈Low addrHigh addrLow addrHigh addrstruct tcbkstack栈的切换 用户栈到内核栈 何时切换？ 中断处理或系统调用时 切换时，要用临时内核栈（tmp_stack）做过渡 为什么？因为CPU从用户模式切换到内核模式时，总是把栈顶指针（ESP）设为tmp_stack t

5、mp_stack定义在entry.S中 内核栈到用户栈 何时切换？ 中断返回或系统调用结束时栈的切换：用户栈 内核栈#define hwint(irq, enable_icus) 保存现场 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:; 中断处理中断处理是否从用户模式中来？保存现场到把现场（struct context）从临时内核栈移到当前线程的内核栈，并切换到当前线程的内核栈是否栈的切换：内核栈 用户栈 .globl _ret_from_syscall_ret_from_syscall: 3: popl %fs popl %es popl %ds popal addl $8, %esp # discard exception and errorcode iret恢复现场指令IRET依次弹出EIP, CS和EFLAGS如果将返回到用户模式，还要弹出ESP和SS以切换回线程的用户模式栈栈的切换 因此，中断处

7、理和系统调用是在当前线程的上下文中执行的！ 临时内核栈（tmp_stack）只起过渡作用！ 总而言之，操作系统内核总是代表着某个线程在执行指令！ 内核披着线程的外衣在运行栈的切换 思考题 当线程回到用户模式下运行时，它的内核栈一定是空的。为什么？EPOS线程的调度 调度函数 void schedule() task.c 何时调度？ 由全局变量“g_resched”决定 请自行阅读timer.c中的函数isr_timer寻找答案 isr_timer是系统定时器的中断处理函数 理论上，系统定时器每秒钟触发100次中断 目前只实现了轮转算法（round-robin） 请自行阅读task.c中函数sc

8、hedule的实现EPOS线程的切换 调度器选择了一个可运行的线程new后，要把CPU从当前线程切换到new运行 当前线程：g_task_running 切换函数 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线程的切换g_task_running-kstack=ESPnewtid内核模式栈Kernel mode stackkstacktid内核模式栈Kernel mode stackkstackESP=g_task_running-kstackg_task_runningEPOS线程的切换 从函数switch_to可以看出 线程切换只是切换了两个线程的内核栈，也就是说 切换了内核栈，就切换了线程！EPOS线程的切换 思考题 在创建一个新的线程时，如何构造它的现场，使得它可以用switch_to函数启动？ 请自行阅读task.c中的函数sys_task_create以找到答案 特别是machdep.h中定义的宏INIT_TASK_CONTEXT实验内容 重写函数schedule，实现基于优先级的线程调度 增加系统调用”int task_set_priority(int tid, int new_priority)”，用于改变线程的优先级 tid必须大于0 该系统调用返回线程之前的优先级 测试你的调度器 注意 需