用户级线程库课程设计报告

课程设计报告书题目：用户级线程库的实现

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用户级线程库的实现目录TOC\o"1-3"\h\u6600用户级线程库的实现 320407一、设计目标 315546二、线程库的具体内容 39069三、实现过程 46029四、结果分析 828215五、课程设计总结 9一、设计目标本次课程设计的目标是开发一个用户级线程库，功能包括完整的线程创建/删除/joining，互斥锁，条件变量，以及一个基于优先级的调度器。完成此用户级线程库，可以使用该线程库编写多线程的应用，替代linux中的pthreads.二、线程库的具体内容使用线程库前首先要调用uthread_init()。这个函数只执行一次，负责初始化数据结构，比如全局uthreads矩阵和ut_curthr(当前正在执行的线程)。uthread_init()中有一些特殊的代码，处理当前正在执行的进程的上下文(即调用uthread_init()的进程)，使其成为一个有效的uthread，并设置ut_curthr为该uthread，这个uthread被称为主线程或0号线程。所有事情初始化后，可以使用线程uthread_create()创建线程。一旦创建好线程，线程库能够调度这些线程。若线程需要暂时yield处理器给另一个线程(仍然是可执行的，即处于就绪态)，则需要调用uthread_yield()。线程可以通过uthread_block()进入睡眠态，也可以通过uthread_wake()被唤醒。uthread_switch()函数负责选择另一个线程运行。调度器调度时，采用优先级调度算法，线程优先级可以由uthread_setprio()设置，数字越大优先级越高，相同优先级的线程则轮流使用CPU。每个优先级一个队列，相关的数据结构见uthread_sched.c中的runq_table。Uthreads中的线程有6种状态，定义如下：typedef

enum

{

UT_NO_STATE,

/*

无效的线程状态

*/

UT_ON_CPU,

/*

线程正在执行

*/

UT_RUNNABLE,

/*

线程可运行，就绪

*/

UT_WAIT,

/*

线程被阻塞

*/

UT_ZOMBIE,

/*

线程处于

zombie

状态，即已结束，但需要回收资源

*/

UT_TRANSITION,

/*

线程处于创建状态

*/

UT_JOINABLE,

//线程结束时需要一个线程回收其资源

UT_DETACHABLE,

//线程结束时，不需要一个线程回收其资源

UT_NUM_THREAD_STATES

//线程状态数目}

uthread_state_t;图SEQ图\*ARABIC1Uthread状态转换图在uthreads中永远不会有多于一个线程同时执行，但线程可被抢占。在uthreads中，使用uthread_makecontext()创建线程的机器上下文。如果需要改变当前正在执行线程，需要调用uthread_swapcontext()，这使得当前CPU上下文被保存，新的上下文被执行。保存的上下文作为newctx参数在之后调用uthread_swapcontext()时被重新执行。Uthread中有一个线程称之为Reaper线程，也就是1号线程，负责清理已结束线程占用的资源。值得注意的是reaper并不清理已经结束但还没有joined的non-detached线程，而是让uthread_join()去完成。三、实现过程需要实现的函数如下（更具体的实现思路请看源代码的注释）。uthread_yield：当前正在运行的线程让出CPU，线程仍然处于可运行状态，即UT_RUNNABLE。调用此函数时，当前线程加入到就绪队列，如果当前线程大于系统中已有的最高优先级线程，则直接从uthread_yield返回；否则放弃CPU，转去执行最高优先级的线程。uthread_wake：唤醒指定的线程，使其可再次被执行（注意：线程有可能已经处于就绪态）。所作的事情：改变状态，将其放入就绪队列。uthread_setprio：改变指定线程的优先级。注意，如果线程已处于UT_RUNNABLE状态（可执行，但没有占有cpu），则应该改变其优先级队列，如果该指定线程的优先级高于当前调用者，则调用者还要放弃CPU；如果线程状态为UT_TRANSITION，则它是一个刚创建的线程（即将第一次被放入就绪队列），将其状态改为UT_RUNNABLE。成功时返回1，否则返回0。图SEQ图\*ARABIC2uthread_yield()示意图uthread_switch：找到最高优先级的可运行线程，然后使用uthread_swapcontext()切换到它（注意设置UT_ON_CPU线程状态和当前线程）。如果调用线程本身就是最高优先级线程，则切换回调用线程。主要工作：找出系统中优先级最高的线程，并切换（必须要有可执行线程）。图SEQ图\*ARABIC3uthread_switch()示意图uthread_init：这个函数只在用户进程启动时调用一次，用于初始化所有的全局数据结构和变量。这个函数需要设置每一个线程的ut_state和ut_id，简单起见，本系统中选择线程数组的下标作为ut_id。uthread_create：创建一个线程执行指定的函数<func>，函数的参数为<arg1>和<arg2>，优先级为<prio>。首先，使用uthread_alloc找到一个有效的id，找不到时，返回合适的错误；然后，为线程分配栈，分配不成功时返回合适的错误；使用uthread_makecontext()创建线程的上下文；按照新发现的线程id，设置uthread_t结构，调用uthread_setprio设置线程的优先级，在<uidp>中返回线程id。不成功时返回0。uthread_exit：结束当前的线程（注意设置uthread_t中的标志）。如果线程是UT_DETACHABLE，则通过调用make_reapable()将其放入清理线程（reaper）清理队列并唤醒清理清理线程。如果线程是UT_JOINABLE，则唤醒等待的线程。然后调用uthread_switch()切换线程。图SEQ图\*ARABIC4uthread_exit()示意图uthread_join：等待指定的线程结束，如果线程没有结束执行，调用线程需要阻塞，直到线程结束。主要工作：如果要等待的线程还没有结束，则置线程的等待线程为当前线程，线程状态改为UT_WAIT，切换线程；如果成功地等到了线程结束，则调用make_reapable唤醒清理线程reaper将其彻底清理。错误条件及对应的errorcode参考pthread_join的manpage。图SEQ图\*ARABIC5uthread_join()示意图uthread_self：返回当前正在执行的线程的id。uthread_alloc：找到一个自由的uthread_t，返回其id(uthread_id_t)。uthread_destroy：清理指定的线程。uthread_cond_init：初始化指定的条件变量。uthread_cond_wait：等待指定的条件变量。改变当前线程的状态，释放当前线程占有的锁，并将当前线程放入条件变量的等待队列中，切换线程。uthread_cond_broadcast：唤醒等待于此条件变量的所有线程。uthread_cond_signal：唤醒等待于此条件变量的一个线程。uthread_mtx_init：初始化指定的mutex。uthread_mtx_lock：如果没有线程占有该锁，则将锁的拥有者改为当前线程，否则，当前阻塞，让出CPU。uthread_mtx_trylock：试图上锁mutex，得到锁时返回1，否则返回0。uthread_mtx_unlock：释放锁。如