[MIT 6.S081] Lab: Multithreading

Lab: Multithreading

在这个实验中主要是要熟悉一下多线程的一些东西，比如实现一个用户态线程，还有使用一些 api 。

Uthread: switching between threads

这个任务的主要目的是实现用户态线程的调度，不过这个用户态线程个人认为是有栈协程。在这个任务中，需要实现在一个 CPU 资源的情况下调度三个线程的操作。

考虑一下内核态线程是怎么切换的，当前这个线程放弃 CPU ，把 CPU 交还给调度器线程，然后调度器线程再挑一个可以运行的内核态线程并切换到它。在这个过程中，需要保存上下文环境，也就是局部变量之类。不过，由于 保存上下文环境需要调用一个由汇编写的函数，c 在调用函数的过程中会将那些变量压入栈中保存，至于堆更不需要关心，他们不会被覆盖。因此，对于上下文切换，只剩下了 swtch.S 中所要保存的寄存器。

# Context switch
#
#   void swtch(struct context *old, struct context *new);
# 
# Save current registers in old. Load from new.	


.globl swtch
swtch:
        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

现在我们所要实现的用户态线程也是一样的东西，我们依然要保存这些寄存器，那么也需要一个数据结构保存它们，也就是加入一个 struct context 来保存。

在 uthread_switch.S 文件中保存和载入寄存器。

	.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 */

在 uthread.c 中添加一个数据结构 struct context ，并将其作为 struct thread 的字段。

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;
};

在 thread_schedule 函数中，我们需要将上下文环境保存好。

void 
thread_schedule(void)
{
  ...
    /* YOUR CODE HERE
     * Invoke thread_switch to switch from t to next_thread:
     * thread_switch(??, ??);
     */
     thread_switch((uint64)&(t->context), (uint64)&(current_thread->context));
  } else
    next_thread = 0;
}

现在就剩下一个初始化的问题，对于上下文环境，我们要怎么初始化它？

对于 thread_switch ，它最终会将载入的 context 的 ra 作为其返回地址，在这里我们的每一个线程都要执行一个函数，自然就是将这个函数的调用地址作为 ra 的返回地址了。其次，在切换的过程中，也会重新加载 sp ，现在对于每个线程来说，它的栈都必须是单独的，因为它们之间没有什么关联，因此我们也要为每个线程设置一个新的栈。

如果你这边 sp 设置不好的话，那么在函数调用的压栈和出栈过程中，会修改到不该访问的内存位置，这是一个需要注意的地点。

void 
thread_create(void (*func)())
{
  struct thread *t;

  for (t = all_thread; t < all_thread + MAX_THREAD; t++) {
    if (t->state == FREE) break;
  }
  t->state = RUNNABLE;
  // YOUR CODE HERE
  for (int i = 0; i < STACK_SIZE; i ++) {
    t->stack[i] = 0;
  }
  t->context.sp = (uint64)(t->stack + STACK_SIZE);
  t->context.ra = (uint64)func;
}

Using threads

在这个任务中，要为哈希表的并发编程给它上一下锁，让它能够正常工作。

这里上锁就是要防止数据竞争，让它安全的话，可以直接对哈希表上一个大锁，但是这样就没有效率。因此，可以细化粒度为单独的桶，因为桶与桶之间是可以区分的。

首先，我们为每个桶加一把锁。

struct entry {
  int key;
  int value;
  struct entry *next;
};
struct entry *table[NBUCKET];
pthread_mutex_t table_lock[NBUCKET];

然后，我们要在 put 和 get 操作中，获取当前要操作桶的锁，像 RAII 一样上锁和释放锁。

static 
void put(int key, int value)
{
  int i = key % NBUCKET;

  pthread_mutex_t *lock = &table_lock[i];
  pthread_mutex_lock(lock);

  // is the key already present?
  struct entry *e = 0;
  for (e = table[i]; e != 0; e = e->next) {
    if (e->key == key)
      break;
  }
  if(e){
    // update the existing key.
    e->value = value;
  } else {
    // the new is new.
    insert(key, value, &table[i], table[i]);
  }
 
  pthread_mutex_unlock(lock);
}

static struct entry*
get(int key)
{
  int i = key % NBUCKET;

  pthread_mutex_t *lock = &table_lock[i];
  pthread_mutex_lock(lock);

  struct entry *e = 0;
  for (e = table[i]; e != 0; e = e->next) {
    if (e->key == key) break;
  }

  pthread_mutex_unlock(lock);
  
  return e;
}

最后，这些锁需要初始化和销毁，在 main 函数的开头和结尾部分做一下。

int
main(int argc, char *argv[])
{
  // pthread_mutex_init(&lock, NULL);
  for (int i = 0; i < NBUCKET; i ++) {
    pthread_mutex_init(&table_lock[i], NULL);
  }

  ...

  for (int i = 0; i < NBUCKET; i ++) {
    pthread_mutex_destroy(&table_lock[i]);
  }
}

对于问答的问题，其实就是两线程如果同时插入一个，那么这个过程中可能出现竞争，前一个还没插完后一个就插完了，后面那个就索引到原先的，前面那个就可能下一个还是原先的，这样就错误了。

Barrier

这里就是设置一个屏障，让过来到这边的线程先等一下所有线程，然后等到全部到达以后再一起开始。

逻辑也是这样，先对这个屏障上锁，因为会有很多线程并发访问它。如果线程数还没达标，那么就让这个线程等待一下，同时将释放锁，给下一个线程的访问。接着，最后一个线程到达以后，我们重新处理一下线程计数，并将轮数增加，然后唤醒一下这边的所有线程，接着锁又被获取到，然后就释放锁了。

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

Grade

这里没加 answers-thread.txt 文件。