操作系统实验——线程创建与调度

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SLUGS
说明：
最近做了实验二和实验三，由于两者相关，所以堆在一起总结。 另外注意到，各个bbs上也流传着往届学长写的总结，这也是老师只甩给我们PPT，我们也能做出这实验的原因之一。 在此呢，我就写写自己的总结，当然也参考了往届学长的做法（，并且还把老师的PPT抄了一遍）。

实验目的

  • 掌握线程的创建
  • 掌握线程的调度
    • 静态优先级调度
    • 动态优先级调度

实验内容

先贴实验内容：（EPOS系统，我会在上篇文章的实验一给出）
  • 创建两个冒泡排序的线程，记为A和B
    • 分别占用屏幕的两个位置
    • 在屏幕上用进度条动态显示两个线程的静态优先级
  • 另外创建一个控制线程
    • 循环等待键盘输入
      • int key = getchar();
    • 如果key==0x4800(up)/0x5000(down)
      • 调用setpriority调高/低A线程的静态优先级
      • 更新A的优先级进度条
    • 如果key==0x4d00(right)/0x4b00(left)
      • 调用setpriority调高/低B线程的静态优先级
      • 更新B的优先级进度条
    • 把控制线程的静态优先级设置到最高，以保证控制效果

预备知识

线程API

下面说明实验所用到的API函数。 线程创建
tos ：用户栈的栈顶指针 func ：线程函数 pv ：传递给线程函数func的参数，一般传结构体指针以传多个参数 返回值 ：大于0，则表示新创建线程之ID
线程退出
code_exit ：线程的退出代码
获取当前线程的ID
等待线程退出
tid ：要等待线程之ID pcode_exit ：如果非NULL，用于保存线程tid的退出代码
Sample:

随机数组生成

图形模式API

下面说明本实验可能用到的API函数。 获取当前系统支持的图形模式
需在文本模式下运行才可看到结果。 老师PPT参考模式列表：
notion image
进入图形模式
mode: 为上述图形模式对应的值，如int mode=0x100
获取屏幕的分辨率 直接访问变量获取： 水平：g_graphic_dev.XResolution 垂直：g_graphic_dev.YResolution
注：g_graphic_dev在graphics.h中被声明为一个全局变量，使用时应包含此头文件。
打像素点
(x, y)是像素点坐标 cr是颜色，用宏定义RGB(r,g,b)生成，其中r,g,b的取值范围都是0-255
如何从cr中取出r,g,b？用getXValue(cr)，其中X=R,G,B，如getRValue(cr)取出cr的R分量值。
退出图形模式

线程调度

优先级
  • 静态优先级(nice)：内核不会修改它，不随时间而变化，除非用户通过系统调用setpriority进行修改。
  • 动态优先级(priority)：内核根据线程使用CPU的状况、静态优先级nice和系统负荷计算出来，会随时间而变。作为最终的调度依据，即调度器只根据动态优先级进行调度。
线程数据结构
epos的线程数据结构为单向链表：
notion image
注意：
  • 在系统启动过程中，g_task_running是NULL！
  • task0(tid=0)是系统空闲线程（system idle thread），当没有其他线程可运行时，才运行task0!

关于定点数

本次实验为追求性能采用了定点数去定义一部分变量。
  • 浮点(float-point)表示 ：精度高，性能差！
  • 定点(fixed-point)表示：精度低，性能好！
注：文件fixedptc.h中定义了定点数类型fixedpt及其运算，所以使用时需包含该头文件
另外，阅读往届学长的实验报告，发现代码中出现很多的fixedpt_mul(,)、fixedpt_div(,)、fixedpt_add(,)、fixedpt_sub(,)、fixedpt_fromint(,)、fixedpt_toint(,)、FIXEDPT_ONE……这是出于对性能的考虑。 但其中fixedpt_add(,)、fixedpt_sub(,)的宏定义如下：
因此定点加减法可直接使用+、-，因为没任何性能提升，反而让代码像a piece of shit。

实验步骤

增加tcb属性nice

说明：
  • nice是整数，取值范围[-NZERO, NZERO-1]，值越小优先级越高
  • #define NZERO 20
①\kernel\kernel.h中，为线程数据结构struct tcb线程的静态优先级nice属性。
②在\kernel\task.c中，函数sys_task_create中初始化nice=0。

增加系统调用

系统调用说明：
  • int getpriority(int tid)
    • 成功返回(nice+NZERO)，失败返回-1
  • int setpriority(int tid, int prio)
    • 把线程tid的nice设为(prio-NZERO)
    • prio必须在[0,2*NZERO-1]
    • 成功返回0，失败返回-1
①按照实验一，增加系统调用getpriority ,setpriority, 大致步骤略述：
  1. \userapp\include\syscall.h 声明系统调用API
  1. \userapp\lib\syscall-wrapper.S 定义封装例程
  1. \include\syscall-nr.h 定义系统调用号
  1. \kernel\kernel.h 声明系统调用服务例程函数sys_setpriority、sys_getpriority
  1. \kernel\machdep.c 实现两个系统调用服务例程函数。
  1. \kernel\machdep.c 在系统调用分发函数syscall()中根据系统调用号加入SYSCALL_xxx分支。
②主要代码： syscall()分发函数中添加分支：
系统调用服务例程函数的实现：

tcb增加动态优先级属性

待增加的变量说明
  • estcpu-表示线程所用CPU时间，fixedpt型，定时器中断会更新一次，并且每秒钟所有线程也会更新其estcpu
  • priority-表示线程的动态优先级，int型，范围0-127
  • g_load_avg-表示系统的平均负荷，fixedpt型，每秒更新
更新规则： estcpu:
可化为
prority:
g_load_avg:
可化为
 
①在struct tcb中，增加两个属性estcpu, priority，头部声明一个全局变量g_load_avg \kernel\kernel.h中： 在nice属性后插入
头部需声明：
在\kernel\task.c中： 头部声明：
②在函数sys_task_create中new->nice=0后初始化estcpu=0
③在init_task()中初始化g_load_avg
④每次定时器中断更新estcpu和g_load_avg： 在\kernel\timer.c中isr_timer()函数前添加UpdateEstcpu()实现每秒为所有线程（运行、就绪和等待）更新estcpu和g_load_avg，isr_timer()中每次定时器中断更新estcpu，其中g_timer_ticks % HZ == 0表示已过1秒，此时应调用UpdateEstcpu()

优先级调度算法

调度算法： ①线程链表中仅有task0 ? (切换到task0，重新调度) : ② ②队首为task0 ? (从g_task_head->next开始遍历，然后③) : (从g_task_head开始遍历，然后③) ③从遍历列表中找出最大优先级的tcb，同时更新priority（除task0） ④切换到选中的tcb，重新调度
算法实现： 修改\kernel\task.c中的函数schedule()，实现优先级调度算法。 附上修改后的代码，说明见注释：

测试调度器

后面的工作就是创建线程、定义线程函数、折腾画图函数等操作，不做介绍，直接贴代码。 main.c函数中：
lab3.h
 

实验结果

notion image

总结

  • 编程时对性能更加注重
  • 对线程的调度有初步认识
  • 温故了C，感觉自己的C越来越垃圾
  • 不足：
    • 实验中对nice以及priority属性的范围未做显式约束
    • 神奇的bug是，main()中添加task_wait()会提前结束线程，推测调度算法有缺陷，产生于无边界约束，后期修正。（已修正）
若有时间，计划折腾其他调度算法。
感谢：林坤、王凯学长！
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