MIT 6.S081 Fall 2020 Lab 7

Multithreading

学!

看了课以后对进程线程的理解又多了一些.

xv6 一个进程有两个线程, 分别是用户态运行的唯一用户线程, 和在内核态运行的内核线程. 陷入内核和返回用户态可以看作是线程切换的过程. 内核线程有自己的一个栈, 就是内核栈. 在 xv6 中被映射到了非常高的地址.

内核还有一个内核调度器线程, 这是内核最开始运行的线程, 他的栈是内核启动时设置好的, 在 0x8000000 之上一点点 (具体多少不重要). 内核启动最开始会设置寄存器的值, 其中就包括这个栈, 有了栈以后, 才可以"执行 c 语言代码".

内核线程之间通过 内核线程调度器 来切换. 内核线程调度器这个线程管理所有和进程有关的内核线程.

内核线程的切换, 其实代表着用户进程的切换.

内核线程通过 yeild 放弃 CPU, 然后切换到内核线程调度器, 由调度器决定下一个可以使用 CPU 的内核线程, 然后切换过去.

实现(伪)用户线程. 非常搞笑, 在代码里写一个和 kernel 中几乎一样的线程调度器…

理解了线程切换的过程就非常好做了. 把 kernel 的 context 和 switch.asm 拿过来用就行.

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  .text

  /*
         * save the old thread's registers,
         * restore the new thread's registers.
         */

  .globl thread_switch
thread_switch:
  /* YOUR CODE HERE */
    sd ra, 0(a0)
    sd sp, 8(a0)
    sd s0, 16(a0)
    sd s1, 24(a0)
    sd s2, 32(a0)
    sd s3, 40(a0)
    sd s4, 48(a0)
    sd s5, 56(a0)
    sd s6, 64(a0)
    sd s7, 72(a0)
    sd s8, 80(a0)
    sd s9, 88(a0)
    sd s10, 96(a0)
    sd s11, 104(a0)

    ld ra, 0(a1)
    ld sp, 8(a1)
    ld s0, 16(a1)
    ld s1, 24(a1)
    ld s2, 32(a1)
    ld s3, 40(a1)
    ld s4, 48(a1)
    ld s5, 56(a1)
    ld s6, 64(a1)
    ld s7, 72(a1)
    ld s8, 80(a1)
    ld s9, 88(a1)
    ld s10, 96(a1)
    ld s11, 104(a1)

  ret    /* return to ra */
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...

// Saved registers for context switches.
struct context {
  uint64 ra;
  uint64 sp;

  // callee-saved
  uint64 s0;
  uint64 s1;
  uint64 s2;
  uint64 s3;
  uint64 s4;
  uint64 s5;
  uint64 s6;
  uint64 s7;
  uint64 s8;
  uint64 s9;
  uint64 s10;
  uint64 s11;
};

struct thread {
  char       stack[STACK_SIZE]; /* the thread's stack */
  int        state;             /* FREE, RUNNING, RUNNABLE */
  struct context context;       /* thread's saved context */
};

void 
thread_schedule(void)
{
  ...
  if (current_thread != next_thread) {         /* switch threads?  */
    next_thread->state = RUNNING;
    t = current_thread;
    current_thread = next_thread;
    /* YOUR CODE HERE
     * Invoke thread_switch to switch from t to next_thread:
     * thread_switch(??, ??);
     */
    thread_switch((uint64)&t->context, (uint64)&next_thread->context);
  }
    ...
}

void 
thread_create(void (*func)())
{
  ...
  // YOUR CODE HERE
  t->context.ra = (uint64)func;
  t->context.sp = (uint64)(t->stack + STACK_SIZE);
}

非常无聊, 给写操作加锁.

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--- a/notxv6/ph.c
+++ b/notxv6/ph.c
@@ -14,9 +14,17 @@ struct entry {
   struct entry *next;
 };
 struct entry *table[NBUCKET];
+pthread_mutex_t locks[NBUCKET];
 int keys[NKEYS];
 int nthread = 1;
 
+void
+init_locks()
+{
+  for (int i = 0; i < NBUCKET; i++)
+    assert(pthread_mutex_init(&locks[i], NULL) == 0);
+}
+
 double
 now()
 {
@@ -51,7 +59,9 @@ void put(int key, int value)
     e->value = value;
   } else {
:
     // the new is new.
+    pthread_mutex_lock(&locks[i]);
     insert(key, value, &table[i], table[i]);
+    pthread_mutex_unlock(&locks[i]);
   }
 }
 
@@ -107,6 +117,9 @@ main(int argc, char *argv[])
     fprintf(stderr, "Usage: %s nthreads\n", argv[0]);
     exit(-1);
   }
+
+  init_locks();
+
   nthread = atoi(argv[1]);
   tha = malloc(sizeof(pthread_t) * nthread);
   srandom(0);

非常无聊, 条件锁而已

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static void 
barrier()
{
  // YOUR CODE HERE
  //
  // Block until all threads have called barrier() and
  // then increment bstate.round.
  pthread_mutex_lock(&bstate.barrier_mutex);
  if (++bstate.nthread == nthread) {
    bstate.nthread = 0;
    bstate.round++;
    pthread_cond_broadcast(&bstate.barrier_cond);
  }
  else
    pthread_cond_wait(&bstate.barrier_cond, &bstate.barrier_mutex);
  pthread_mutex_unlock(&bstate.barrier_mutex);
}

这下实现真用户级线程了. 感觉会很好玩. (不懂为啥不把这个当作 lab 内容) 下次有机会再写. (今天不想学习, lab 是打三维弹球打不动了来写的)