ucore学习笔记_LAB7

练习1: 理解内核级信号量的实现和基于内核级信号量的哲学家就餐问题（不需要编码）

信号量结构体:

typedef struct {
    int value;//资源数目
    wait_queue_t wait_queue;//等待队列
} semaphore_t;

P,V操作:

static __noinline void __up(semaphore_t *sem, uint32_t wait_state) {
    bool intr_flag;
    local_intr_save(intr_flag);
    {
        wait_t *wait;
        //如果没有正在等待的进程,直接资源++
        if ((wait = wait_queue_first(&(sem->wait_queue))) == NULL) {
            sem->value ++;
        }
        //否则唤醒位于等待队列中的进程
        else {
            assert(wait->proc->wait_state == wait_state);
            wakeup_wait(&(sem->wait_queue), wait, wait_state, 1);
        }
    }
    local_intr_restore(intr_flag);
}

static __noinline uint32_t __down(semaphore_t *sem, uint32_t wait_state) {
    bool intr_flag;
    local_intr_save(intr_flag);//关中断
    //如果资源数大于零直接资源--,返回
    if (sem->value > 0) {
        sem->value --;
        local_intr_restore(intr_flag);
        return 0;
    }
    wait_t __wait, *wait = &__wait;
    wait_current_set(&(sem->wait_queue), wait, wait_state);//挂起
    local_intr_restore(intr_flag);//开中断

    schedule();//等待被唤醒

    local_intr_save(intr_flag);
    //重新调度
    wait_current_del(&(sem->wait_queue), wait);
    local_intr_restore(intr_flag);

    if (wait->wakeup_flags != wait_state) {
        return wait->wakeup_flags;
    }
    return 0;
}

底层支持:

定时器、屏蔽/使能中断、等待队列wait_queue支持test_and_set_bit等原子操作机器指令

在ucore信号量中使用的是开关中断.

练习2: 完成内核级条件变量和基于内核级条件变量的哲学家就餐问题（需要编码）

管程由四部分组成：

​ 管程内部的共享变量；
​ 管程内部的条件变量；
​ 管程内部并发执行的进程；
​ 对局部于管程内部的共享数据设置初始值的语句。

条件变量(CV)和管程结构体:

typedef struct condvar{
    semaphore_t sem;        // the sem semaphore  is used to down the waiting proc, and the signaling proc should up the waiting proc
    int count;              // the number of waiters on condvar
    monitor_t * owner;      // the owner(monitor) of this condvar
} condvar_t;

typedef struct monitor{
    semaphore_t mutex;      // the mutex lock for going into the routines in monitor, should be initialized to 1
    semaphore_t next;       // the next semaphore is used to down the signaling proc itself, and the other OR wakeuped waiting proc should wake up the sleeped signaling proc.
    int next_count;         // the number of of sleeped signaling proc
    condvar_t *cv;          // the condvars in monitor
} monitor_t;

哎这个next一开始搞得我很迷，其实就是说由于唤醒别人而自己睡着的进程个数。他们被唤醒是无条件的，只要保证对管程的互斥访问即可。

每一个条件变量有它自己的等待队列，那么这个next是由于唤醒了别人，自己被挂在next上了，每个进程执行结束之后先查一查有没有挂在next上的进程，有的话先唤醒这个进程(Vnext)，没有的话就放其他进程进来（Vmutex）。

条件等待和唤醒:

void 
cond_signal (condvar_t *cvp) {
   //LAB7 EXERCISE1: YOUR CODE
   cprintf("cond_signal begin: cvp %x, cvp->count %d, cvp->owner->next_count %d\n", cvp, cvp->count, cvp->owner->next_count);  
  /*
   *      cond_signal(cv) {
   *          if(cv.count>0) {
   *             mt.next_count ++;
   *             signal(cv.sem);
   *             wait(mt.next);
   *             mt.next_count--;
   *          }
   *       }
   */
     if(cvp->count>0) {
        cvp->owner->next_count ++;
        up(&(cvp->sem));
        down(&(cvp->owner->next));
        cvp->owner->next_count --;
      }
   cprintf("cond_signal end: cvp %x, cvp->count %d, cvp->owner->next_count %d\n", cvp, cvp->count, cvp->owner->next_count);
}

// Suspend calling thread on a condition variable waiting for condition Atomically unlocks 
// mutex and suspends calling thread on conditional variable after waking up locks mutex. Notice: mp is mutex semaphore for monitor's procedures
void
cond_wait (condvar_t *cvp) {
    //LAB7 EXERCISE1: YOUR CODE
    cprintf("cond_wait begin:  cvp %x, cvp->count %d, cvp->owner->next_count %d\n", cvp, cvp->count, cvp->owner->next_count);
   /*
    *         cv.count ++;
    *         if(mt.next_count>0)
    *            signal(mt.next)
    *         else
    *            signal(mt.mutex);
    *         wait(cv.sem);
    *         cv.count --;
    */
      cvp->count++;
      if(cvp->owner->next_count > 0)
         up(&(cvp->owner->next));
      else
         up(&(cvp->owner->mutex));
      down(&(cvp->sem));
      cvp->count --;
    cprintf("cond_wait end:  cvp %x, cvp->count %d, cvp->owner->next_count %d\n", cvp, cvp->count, cvp->owner->next_count);
}

管程中函数的入口出口设计

为了让整个管程正常运行，还需在管程中的每个函数的入口和出口增加相关操作，即：

function_in_monitor （…）
{
  sem.wait(monitor.mutex);
//-----------------------------
  the real body of function;
//-----------------------------
  if(monitor.next_count > 0)
     sem_signal(monitor.next);
  else
     sem_signal(monitor.mutex);
}

这样带来的作用有两个，（1）只有一个进程在执行管程中的函数。（2）避免由于执行了cond_signal函数而睡眠的进程无法被唤醒。对于第二点，如果进程A由于执行了cond_signal函数而睡眠（这会让monitor.next_count大于0，且执行sem_wait(monitor.next)），则其他进程在执行管程中的函数的出口，会判断monitor.next_count是否大于0，如果大于0，则执行sem_signal(monitor.next)，从而执行了cond_signal函数而睡眠的进程被唤醒。上诉措施将使得管程正常执行。

吐槽

不得不说，MOOC上这里讲的不太清楚，那个next绕来绕去，其实是很容易能解释清楚的，我们这里实现的管程属于Hoare语义，即

• 线程B执行signal之后，迅速唤醒等待中的线程A，自己进入signal队列中（这个队列是此语义特有的）
• 每次有线程退出时，先到signal队列中调度线程，如果signal队列空，才到入口等待队列调度线程
• 实际实现中一般不采用，因为需要多一个队列，代价增大了