实验15.多线程调度

mei_you_n2024-07-29 17:14

简介

实验.多线程调度

内核线程

text 复制代码 
    1.在时钟中断函数中处理中，减少当前线程pcb的tick，tick为0则启动调度
    2.调度，把当前线程pcb放入就绪对立队尾，把就绪线程队首拿出来执行

主要代码

引导

省略

内核

list.h

c 复制代码 
#ifndef __LIB_KERNEL_LIST_H
#define __LIB_KERNEL_LIST_H

#include "global.h"
#include "stdint.h"

/// 拿到menber相当于struct_type的偏移
/// struct_type 结构体
// member 结构体的属性
#define offset(struct_type, member) (int)(&((struct_type*)0)->member)

///  返回这个属性地址的结构体地址
/// struct_type 结构体
/// struct_member_name 结构体属性
/// elem_ptr 结构体的属性的地址
#define elem2entry(struct_type, struct_member_name, elem_ptr) \
    (struct_type*)((int)elem_ptr - offset(struct_type, struct_member_name))

/// @brief 链表元素
struct list_elem {
    struct list_elem* prev;  // 前躯元素
    struct list_elem* next;  // 后继元素
};

/// @brief 双向链表
struct list {
    // 这两个就如同两堵墙，在墙中间的才是元素
    struct list_elem head;  // 队首 注意: 第一个元素是head.next!!!
    struct list_elem tail;  // 队尾
};

/// @brief 自定义函数类型function
typedef bool(function)(struct list_elem*, int arg);

void list_init(struct list*);
void list_insert_before(struct list_elem* before, struct list_elem* elem);
void list_push(struct list* plist, struct list_elem* elem);
void list_iterate(struct list* plist);
void list_append(struct list* plist, struct list_elem* elem);
void list_remove(struct list_elem* pelem);
struct list_elem* list_pop(struct list* plist);
bool list_empty(struct list* plist);
uint32_t list_len(struct list* plist);
struct list_elem* list_traversal(struct list* plist, function func, int arg);
bool elem_find(struct list* plist, struct list_elem* obj_elem);
#endif

list.c

c 复制代码 
#include "list.h"
#include "interrupt.h"

/// @brief 初始化双向链表
/// @param list 链表指针
void list_init(struct list* list) {
    list->head.prev = NULL;
    list->head.next = &list->tail;
    list->tail.prev = &list->head;
    list->tail.next = NULL;
}

/// @brief 把链表元素elem插入在元素before之前
/// @param before 链表元素
/// @param elem  链表元素
void list_insert_before(struct list_elem* before, struct list_elem* elem) {
    // 关闭中断
    enum intr_status old_status = intr_disable();

    // 将before前驱元素的后继元素更新为elem, 暂时使before脱离链表
    before->prev->next = elem;
    // 更新elem自己的前驱结点为before的前驱
    elem->prev = before->prev;
    // 更新elem自己的后继结点为before, 于是before又回到链表
    elem->next = before;
    // 更新before的前驱结点为elem
    before->prev = elem;

    // 恢复原来的中断状态
    intr_set_status(old_status);
}

/// @brief 添加元素到列表队首,类似栈push操作
/// @param plist 队列
/// @param elem 元素
void list_push(struct list* plist, struct list_elem* elem) {
    list_insert_before(plist->head.next, elem);
}

/// @brief 追加元素到链表队尾
/// @param plist
/// @param elem
void list_append(struct list* plist, struct list_elem* elem) {
    list_insert_before(&plist->tail, elem);
}

/// @brief 使元素pelem脱离链表
/// @param pelem 元素
void list_remove(struct list_elem* pelem) {
    // 关闭中断
    enum intr_status old_status = intr_disable();

    pelem->prev->next = pelem->next;
    pelem->next->prev = pelem->prev;

    // 恢复中断状态
    intr_set_status(old_status);
}

/// @brief 将链表第一个元素弹出并返回,类似栈的pop操作
/// @param list 双向链表
struct list_elem* list_pop(struct list* plist) {
    struct list_elem* elem = plist->head.next;
    list_remove(elem);
    return elem;
}

/// @brief 从链表中查找元素obj_elem,
/// @param plist
/// @param obj_elem
/// @return 成功时返回true,失败时返回false
bool elem_find(struct list* plist, struct list_elem* obj_elem) {
    struct list_elem* elem = plist->head.next;
    while (elem != &plist->tail) {
        if (elem == obj_elem) { return true; }
        elem = elem->next;
    }
    return false;
}

/// @brief 遍历列表内所有元素,逐个判断是否有符合条件的元素
/// @param list 链表
/// @param function 判断函数，返回true位满足条件，false位不满足条件
/// @param int 参数个数
struct list_elem* list_traversal(struct list* plist, function func, int arg) {
    struct list_elem* elem = plist->head.next;
    if (list_empty(plist)) return NULL;

    while (elem != &plist->tail) {
        if (func(elem, arg)) {  // func返回ture则认为该元素在回调函数中符合条件,直接返回
            return elem;
        }
        elem = elem->next;
    }
    return NULL;
}

/// @brief 返回链表长度
/// @param plist 链表
/// @return 链表长度
uint32_t list_len(struct list* plist) {
    struct list_elem* elem = plist->head.next;
    uint32_t length = 0;
    while (elem != &plist->tail) {
        length++;
        elem = elem->next;
    }
    return length;
}

/// @brief 判断链表是否为空
/// @param plist 链表
/// @return 空时返回true,否则返回false
bool list_empty(struct list* plist) {  // 判断队列是否为空
    return (plist->head.next == &plist->tail ? true : false);
}

switch.s

x86asm 复制代码 
; switch.s
; 时间: 2024-07-25
; 来自: ccj
; 描述: 定义切换pcb的函数

;---切换pcb(cur_pcb,next_pcb) begin---
section .text
global switch_to
switch_to:
    ; 保存当前环境
    push esi
    push edi
    push ebx
    push ebp

    ; 保存当前环境到cur_pcb
    mov eax, [esp + 20] ; 得到栈中的参数cur_pcb, cur_pcb = [esp+20]
    mov [eax], esp      ; 保存esp到pcb的 self_kstack =
                        ; 结果 curpub.self_kstack = esp

    ; 切换当前环境到nex_pcb
    mov eax, [esp + 24] ; 得到栈中的参数next_pcb, next_pcb = [esp+24]
    mov esp, [eax]      ; esp = next_pcb.self_kstack

    ; 恢复当前环境
    pop ebp
    pop ebx
    pop edi
    pop esi

    ret
;---切换pcb(cur_pcb,next_pcb) end---

thread.h

c 复制代码 
#ifndef __THREAD_THREAD_H
#define __THREAD_THREAD_H
#include "stdint.h"

typedef void thread_func(void*);

/// @brief 进程或线程的状态
enum task_status {
    TASK_RUNNING,  //
    TASK_READY,
    TASK_BLOCKED,
    TASK_WAITING,
    TASK_HANGING,
    TASK_DIED
};

/// @brief 中断栈，中断发生时，保护程序(线程或进程)的上下文环境
/// 进程或线程被外部中断或软中断打断时,会按照此结构压入上下文寄存器
/// kernel.s中intr_exit的出栈操作是此结构的逆操作
/// 中断栈在pcb的最顶端
struct intr_stack {
    // kernel.s 宏VECTOR中push %1压入的中断号
    uint32_t vec_no;

    // kernel.s 中pushad压入的寄存器
    uint32_t edi;
    uint32_t esi;
    uint32_t ebp;
    uint32_t esp_dummy;  // 虽然pushad把esp也压入,但esp是不断变化的,所以会被popad忽略
    uint32_t ebx;
    uint32_t edx;
    uint32_t ecx;
    uint32_t eax;

    // kernel.s 中保存上下文环境压入的寄存器
    uint32_t gs;
    uint32_t fs;
    uint32_t es;
    uint32_t ds;

    // 以下由cpu从低特权级进入高特权级时压入
    uint32_t err_code;  // err_code会被压入在eip之后
    void (*eip)(void);
    uint32_t cs;
    uint32_t eflags;
    void* esp;
    uint32_t ss;
};

/// @brief 线程栈 保存线程的上下文
/// ABI规则:主调函数调用被调函数，被调函数一定要保存ebp、ebx、edi、esi、esp
/// eip:线程下一步
struct thread_stack {
    uint32_t ebp;
    uint32_t ebx;
    uint32_t edi;
    uint32_t esi;

    // 线程第一次执行时,eip指向待调用的函数kernel_thread
    // 其它时候,eip是指向switch_to的返回地址
    void (*eip)(thread_func* func, void* func_arg);

    // 以下仅供第一次被调度上cpu时使用
    void(*unused_retaddr);  // 占位置充数为返回地址
    thread_func* function;  // 由Kernel_thread所调用的函数名
    void* func_arg;         // 由Kernel_thread所调用的函数所需的参数
};

/// @brief 进程或线程的pcb process control block 4096字节
/// 一个pcb包含1个中断栈，1个线程栈，
struct task_struct {
    uint32_t* self_kstack;    // pcb中线程栈的地址
    enum task_status status;  // 状态
    uint8_t priority;         // 线程优先级
    char name[16];            //
    uint32_t stack_magic;     // pcb魔数,用于检测栈的溢出
};

void thread_create(struct task_struct* pthread, thread_func function, void* func_arg);
void init_thread(struct task_struct* pthread, char* name, int prio);
struct task_struct* thread_start(char* name, int prio, thread_func function, void* func_arg);
#endif

thread.c

c 复制代码 
// 文件: thread.c
// 时间: 2024-07-23
// 来自: ccj
// 描述: 申请了一个物理页做pcb，在pcb中定义了下一步kernel_thread，然后切换到该pcb的环境，运行

#include "thread.h"
#include "stdint.h"
#include "string.h"
#include "global.h"
#include "memory.h"

#define PG_SIZE 4096

/// @brief 由kernel_thread去执行function(func_arg)
/// @param function 函数指针
/// @param func_arg 函数参数
static void kernel_thread(thread_func* function, void* func_arg) { function(func_arg); }

/// @brief 初始化pcb,将待执行的函数和参数放到pcb中相应的位置
/// @param pthread pcb
/// @param function 待执行的函数
/// @param func_arg 函数参数
void thread_create(struct task_struct* pthread, thread_func function, void* func_arg) {
    // 先预留中断使用栈的空间,可见thread.h中定义的结构
    pthread->self_kstack -= sizeof(struct intr_stack);

    // 再留出线程栈空间
    pthread->self_kstack -= sizeof(struct thread_stack);
    // 此时的self_kstack看作线程栈的首地址
    struct thread_stack* kthread_stack = (struct thread_stack*)pthread->self_kstack;
    kthread_stack->eip = kernel_thread;  // 指向kernel_thread
    kthread_stack->function = function;  // 设置函数
    kthread_stack->func_arg = func_arg;  // 设置参数
    kthread_stack->ebp = kthread_stack->ebx = kthread_stack->esi = kthread_stack->edi = 0;
}

/// @brief 初始化线程基本信息
/// @param pthread pcb
/// @param name 线程名
/// @param prio 优先级
void init_thread(struct task_struct* pthread, char* name, int prio) {
    // 清0
    memset(pthread, 0, sizeof(*pthread));

    // 设置名字、状态、优先级
    strcpy(pthread->name, name);
    pthread->status = TASK_RUNNING;
    pthread->priority = prio;

    // self_kstack是线程自己在内核态下使用的栈顶地址
    pthread->self_kstack = (uint32_t*)((uint32_t)pthread + PG_SIZE);
    pthread->stack_magic = 0x19870916;  // 自定义的魔数
}

/// @brief 创建一优先级为prio的线程,线程名为name,线程所执行的函数是function(func_arg)
/// @param name 线程名
/// @param prio 优先级
/// @param function 线程要执行的函数
/// @param void* 函数参数
struct task_struct* thread_start(char* name, int prio, thread_func function, void* func_arg) {
    // 申请1个物理页来存放pcb
    struct task_struct* thread = get_kernel_pages(1);

    // 初始化pcb
    init_thread(thread, name, prio);

    // 创建线程
    thread_create(thread, function, func_arg);

    // 切换到thread的上下文，并执行thread
    asm volatile("movl %0, %%esp; pop %%ebp; pop %%ebx; pop %%edi; pop %%esi; ret"
                 :
                 : "g"(thread->self_kstack)
                 : "memory");
    // movl %0, %%esp;
    // 把thread->self_kstack的值给esp

    // pop %%ebp; pop %%ebx; pop %%edi; pop %%esi;
    // 从thread->self_kstack中把这几个属性值给到寄存器

    // ret
    // 由于堆栈和这些关键寄存器已被设置为新线程的值，这会导致执行流跳转到新线程的上下文中继续执行
    return thread;
}

}

/// @brief 初始化线程环境
/// @param
void thread_init(void) {
    put_str("[thread] thread_init start\n");

    list_init(&thread_ready_list);
    list_init(&thread_all_list);

    // 将当前main函数创建为线程
    make_main_thread();
    put_str("[thread] thread_init done\n");
}

timer.h

c 复制代码 
#ifndef __DEVICE_TIME_H
#define __DEVICE_TIME_H

#include "stdint.h"

void timer_init(void);
#endif

timer.c

c 复制代码 
// 文件: timer.c
// 时间: 2024-07-23
// 来自: ccj
// 描述: 调快时钟,调快时钟、注册时钟中断来调度线程

#include "timer.h"
#include "io.h"
#include "print.h"
#include "interrupt.h"
#include "thread.h"
#include "debug.h"

#define IRQ0_FREQUENCY   100
#define INPUT_FREQUENCY  1193180
#define COUNTER0_VALUE   INPUT_FREQUENCY / IRQ0_FREQUENCY
#define CONTRER0_PORT    0x40
#define COUNTER0_NO      0
#define COUNTER_MODE     2
#define READ_WRITE_LATCH 3
#define PIT_CONTROL_PORT 0x43

uint32_t ticks;  // 中断开始，开始计数

/* 把操作的计数器counter_no、读写锁属性rwl、计数器模式counter_mode写入模式控制寄存器并赋予初始值counter_value
 */
static void frequency_set(uint8_t counter_port,
                          uint8_t counter_no,
                          uint8_t rwl,
                          uint8_t counter_mode,
                          uint16_t counter_value) {
    /* 往控制字寄存器端口0x43中写入控制字 */
    outb(PIT_CONTROL_PORT, (uint8_t)(counter_no << 6 | rwl << 4 | counter_mode << 1));
    /* 先写入counter_value的低8位 */
    outb(counter_port, (uint8_t)counter_value);
    /* 再写入counter_value的高8位 */
    outb(counter_port, (uint8_t)counter_value >> 8);
}

/* 时钟的中断处理函数 */
static void intr_timer_handler(void) {
    struct task_struct* cur_thread = running_thread();

    ASSERT(cur_thread->stack_magic == 0x19870916);  // 检查栈是否溢出

    cur_thread->elapsed_ticks++;  // 记录此线程占用的cpu时间嘀
    ticks++;                      // 记录总时钟数

    if (cur_thread->ticks == 0) {  // 若进程时间片用完就开始调度新的进程上cpu
        schedule();
    } else {  // 将当前进程的时间片-1
        cur_thread->ticks--;
    }
}

/* 初始化PIT8253 */
void timer_init(void) {
    put_str("[timer] timer_init start\n");

    /* 设置8253的定时周期,也就是发中断的周期 */
    frequency_set(CONTRER0_PORT, COUNTER0_NO, READ_WRITE_LATCH, COUNTER_MODE, COUNTER0_VALUE);

    // 注册时钟中断，用来调度线程
    register_handler(0x20, intr_timer_handler);
    put_str("[timer] timer_init done\n");
}

interupt.h

c 复制代码 
#ifndef __KERNEL_INTERRUPT_H
#define __KERNEL_INTERRUPT_H

#include "stdint.h"

typedef void* intr_handler;

void idt_init(void);

/// @brief 中断机制状态
enum intr_status {
    INTR_OFF,  // 中断关闭
    INTR_ON    // 中断打开
};
enum intr_status intr_enable(void);
enum intr_status intr_disable(void);
enum intr_status intr_get_status(void);
enum intr_status intr_set_status(enum intr_status);
void register_handler(uint8_t vector_no, intr_handler function);

#endif

interupt.c

c 复制代码 
// 文件: timer.c
// 时间: 2024-07-23
// 来自: ccj
// 描述: 调快时钟,调快时钟、注册时钟中断来调度线程

#include "timer.h"
#include "io.h"
#include "print.h"
#include "interrupt.h"
#include "thread.h"
#include "debug.h"

#define IRQ0_FREQUENCY   100
#define INPUT_FREQUENCY  1193180
#define COUNTER0_VALUE   INPUT_FREQUENCY / IRQ0_FREQUENCY
#define CONTRER0_PORT    0x40
#define COUNTER0_NO      0
#define COUNTER_MODE     2
#define READ_WRITE_LATCH 3
#define PIT_CONTROL_PORT 0x43

uint32_t ticks;  // 中断开始，开始计数

/* 把操作的计数器counter_no、读写锁属性rwl、计数器模式counter_mode写入模式控制寄存器并赋予初始值counter_value
 */
static void frequency_set(uint8_t counter_port,
                          uint8_t counter_no,
                          uint8_t rwl,
                          uint8_t counter_mode,
                          uint16_t counter_value) {
    /* 往控制字寄存器端口0x43中写入控制字 */
    outb(PIT_CONTROL_PORT, (uint8_t)(counter_no << 6 | rwl << 4 | counter_mode << 1));
    /* 先写入counter_value的低8位 */
    outb(counter_port, (uint8_t)counter_value);
    /* 再写入counter_value的高8位 */
    outb(counter_port, (uint8_t)counter_value >> 8);
}

/* 时钟的中断处理函数 */
static void intr_timer_handler(void) {
    struct task_struct* cur_thread = running_thread();

    ASSERT(cur_thread->stack_magic == 0x19870916);  // 检查栈是否溢出

    cur_thread->elapsed_ticks++;  // 记录此线程占用的cpu时间嘀
    ticks++;                      // 记录总时钟数

    if (cur_thread->ticks == 0) {  // 若进程时间片用完就开始调度新的进程上cpu
        schedule();
    } else {  // 将当前进程的时间片-1
        cur_thread->ticks--;
    }
}

/* 初始化PIT8253 */
void timer_init(void) {
    put_str("[timer] timer_init start\n");

    /* 设置8253的定时周期,也就是发中断的周期 */
    frequency_set(CONTRER0_PORT, COUNTER0_NO, READ_WRITE_LATCH, COUNTER_MODE, COUNTER0_VALUE);

    // 注册时钟中断，用来调度线程
    register_handler(0x20, intr_timer_handler);
    put_str("[timer] timer_init done\n");
}

init.h

c 复制代码 
#ifndef __KERNEL_INIT_H
#define __KERNEL_INIT_H
void init_all(void);
#endif

init.c

c 复制代码 
// 文件: init.c
// 时间: 2024-07-22
// 来自: ccj
// 描述: 内核所有初始化操作

#include "init.h"
#include "print.h"
#include "interrupt.h"
#include "timer.h"
#include "memory.h"
#include "thread.h"

/// @brief 内核所有初始化
void init_all() {
    put_str("init all\n");

    idt_init();    // 初始化中断
    timer_init();  // 调快时钟、注册时钟中断来调度线程
    mem_init();  // 初始化内存管理系统
    thread_init();
}

main.c

c 复制代码 
// 文件: main.c
// 时间: 2024-07-19
// 来自: ccj
// 描述: 内核从此处开始

#include "print.h"
#include "init.h"
#include "thread.h"
#include "interrupt.h"

void k_thread_a(void*);
void k_thread_b(void*);

int main(void) {
    put_str("I am kernel\n");

    init_all();

    thread_start("k_thread_a", 4, k_thread_a, "argA\n");
    thread_start("k_thread_a", 16, k_thread_b, "argB\n");

    intr_enable();  // 打开中断,使时钟中断起作用
    while (1) { put_str("Main\n"); };
    return 0;
}

void k_thread_a(void* arg) {
    char* para = arg;
    while (1) { put_str(para); }
}

void k_thread_b(void* arg) {
    char* para = arg;
    while (1) { put_str(para); }
}

编译

省略

运行

start.sh

shell 复制代码 
#/bin/bash
# 文件: start.sh
# 描述: 启动bochs
# 时间: 2024-07-19
# 来自: ccj


set -x

bin/bochs -f bochsrc.disk
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