操作系统实验1 体验 Nachos 下的并发程序设计

将dllist.cc、dllist.h、dllist-driver.cc、dllist-driver.h等文件拷贝到 nachos-3.4/code/threads/目录下。
修改 Makefile.common 中的 THREAD_H、THREAD_C、THREAD_O 以保证新的文件可以被正确编译。
根据实验内容，修改main.cc，threadtest.cc等文件，通过操作双向链表展现多线程并发所引发的问题。

实验设计及关键代码实现

多线程执行可能出现的问题

线程安全问题

原子性：即一个操作或多个操作，要么全部执行并且执行过程中不会被任何的因素打断，要么就都不执行
原子操作：即不会被线程调度机制打断的操作，没有上下文切换

在并发编程中很多的操作都不是原子操作，如：

操作1: i = 0; 对基本数据类型变量的赋值操作是原子操作

操作2: i++; 包含3个操作，读取i的值，将i加1，将值赋给i

操作3: i = j; 包含2个操作，读取j的值，将j的值赋给i

操作4 : i = i + 1; 包含3个操作，读取i的值，将i加1，将值赋给i

所以非原子操作的每个操作都可能被线程调度机制打断，引发问题

可见性：指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即得到这个修改的值。每个线程都有自己的工作内存，工作内存和主存间要通过store和load进行交互。假如有两个线程：线程1在自己的工作内存中完成赋值操作，却没有及时将新值刷新到主内存中。而线程2会从主内存中读取i的值，然后加载到自己的工作内存中，但赋值工作还没有完成，就进行了读取。这就是可见性问题。

活跃性问题：可分为死锁、活锁和饥饿。
性能问题

在创建或撤销进程时，系统都要为之分配或回收进程控制块PCB及其他资源。操作系统为此所付出的开销，明显大于创建或撤销线程时的开销。
在进程切换时涉及进程上下文的切换，而线程切换时只需保存和设置少量寄存器内容，开销很小。

本次实验主要涉及线程安全问题。

正确编译Nachos

Makefile.common文件定义了编译链接生成一个完整的Nachos可执行文件所需要的所有规则。我们需要把要添加的.h和.cc文件放到_H、_C还有_O的列表中。将新编写的dllist.cc、dllist.h、dllist-driver.cc文件加入列表中，使make可以正常编译链接出目标文件。

代码涉及的参数

表1 可传入的参数

参数标记	对应变量名	参数含义
-q	int testnum	测试编号，用于进入不同的测试分支(默认为1)
-t	int threadnum	需要创建的并行线程数量(默认为2)
-n	int oprnum	链表操作的元素个数(默认为2)
-y	bool yield_flag	标志是否能进行线程切换(1表示可以，0表示不可以，默认为0)

testnum	功能	指令
1	测试双向链表	-q 1 -t 1
2	复现进程共享问题	-q 1 -t 2 -n 5 -y 1
3	复现覆盖问题	-q 2 -t 2 -n 5 -y 1
4	复现乱序问题	-q 3 -y 1

表 2 不同testnum的不同功能

实现双向链表

按照Nachos实验指导的3.1部分将双向链表的定义写入dllist.h文件中，并作适当的添加和修改:

DLLElement类：

class DLLElement {

public:

DLLElement(void *itemPtr, int sortKey); // initialize a list element

DLLElement *next; // next element on list

// NULL if this is the last

DLLElement *prev; // previous element on list

// NULL if this is the first

int key; // priority, for a sorted list

void *item; // pointer to item on the list

};

DLList类：

class DLList {

public:

DLList(); // initialize the list

~DLList(); // de-allocate the list

void Prepend(void *item); // add to head of list (set key = min_key-1)

void Append(void *item); // add to tail of list (set key = max_key+1)

void *Remove(int *keyPtr); // remove from head of list

// set *keyPtr to key of the removed item

// return item (or NULL if list is empty)

bool IsEmpty(); // return true if list has no elements

// routines to put/get items on/off list in order (sorted by key)

void SortedInsert(void *item, int sortKey);

void SortedInsert2(void *item, int sortKey);

void *SortedRemove(int sortKey); // remove first item with key==sortKey

// return NULL if no such item exists

void ShowList(int type);

DLLElement * getFirst() { return first; }

void setFirst(DLLElement *p) { first = p; }

private:

DLLElement *first; // head of the list, NULL if empty

DLLElement *last; // last element of the list, NULL if empty

};

在dllist.cc文件中根据定义写出具体的函数实现（这里只展示重要代码）

SortedInsert函数：

void DLList::SortedInsert(void *item, int sortKey) {

DLLElement *newnode = new DLLElement(item, sortKey);

DLLElement *ptr;

if(IsEmpty()) { // if is empty, newone is the only one

first = newnode;

last = newnode;

} else if(sortKey < first->key) {

newnode->next = first;

if(yield_flag && (testnum == 2 || testnum == 3)) currentThread->Yield();

first->prev = newnode;

first = newnode;

return ;

} else {

for(ptr = first; ptr->next != NULL; ptr = ptr->next) {

if(sortKey < ptr->next->key) {

newnode->next = ptr->next;

newnode->prev = ptr;

if(yield_flag && (testnum == 2 || testnum == 3)) currentThread->Yield();

ptr->next->prev = newnode;

ptr->next = newnode;

return ;

}

// insert to the tail

newnode->prev = last;

if(yield_flag && (testnum == 2 || testnum == 3)) currentThread->Yield();

last->next = newnode;

last = newnode;

}

SortedRemove函数：

void *DLList::SortedRemove(int sortKey) { // find the first elem that the key is equal to sortKey and remove it

if(IsEmpty()) return NULL;

DLLElement *ptr;

void *TB_return;

if(first->key == sortKey) { // if the first is equal to the sortKey, then delete it

first = NULL;

last = NULL;

} else {

for(ptr = first->next; ptr->next != NULL; ptr = ptr->next) {

TB_return = ptr->item;

if(ptr->key == sortKey) {

ptr->prev->next = ptr->next;

ptr->next->prev = ptr->prev;

delete ptr;

}

if(ptr->key == sortKey) {

ptr->prev->next = NULL;

last = ptr->prev;

TB_return = ptr->item;

delete ptr;

} else return NULL;

}

return TB_return;

}

在dllist-driver.cc中实现两个函数，其中一个函数需要插入N个元素，另外一个函数需要从双向链表的头部删除N个元素并将它们打印到终端。这两个函数的参数都是一个int整形N和一个指向双向链表的指针。

genItem2List函数：

void genItem2List(int n, DLList *dllist) { // generate n random keys and the dllist points to the list

int *item, key;

if(!seed) {

srand(unsigned(time(0)));

seed = 1;

}

for(int i = 0; i < n; i++) {

item = new int;

*item = rand();

key = rand() % NUM_RANGE;

printf("Insert %d into the list\n", key);

dllist->SortedInsert((void *)item, key);

printf("Insert %d into the list complete\n", key);

}

dllist->ShowList1();

}

delItemFromList函数：

void delItemFromList(int n, DLList *dllist) { // removes N items starting from the head of the list

for(int i = 0; i < n; i++) {

if(!dllist->IsEmpty()) {

printf("Delete from the head\n");

int keyval;

dllist->Remove(&keyval);

printf("Delete %d from the list\n", keyval);

} else {

printf("The list is empty\n");

return ;

}

dllist->ShowList2();

}

在threadtest.cc中另写一个函数，调用上述两个函数，验证代码的正确性，展示双向链表。

void DLListTest(int which) {

fprintf(stdout, "Insert items in thread %d\n", which);

genItem2List(oprnum, dllist);

if(yield_flag == true) currentThread->Yield();

fprintf(stdout, "Remove items in thread %d\n", which);

delItemFromList(oprnum, dllist);

}

运行结果

在终端输入./nachos -q 1 -t 1得到结果：

线程并发以及并发可能引起的问题

首先，我们需要先了解线程切换的方法，强制的线程切换使用currentThread->Yield()，这里需要注意的是需要引用 system.h 文件。

currentThread定义在system.cc中，表示当前正在运行的线程：

调用Thread类中的Yield方法可以使得当前线程立即放弃所占用的CPU，使得其他可以运行的线程获得所需要的CPU资源从而执行其他线程下的任务：

修改 threads/main.cc 和 threads/theadtest.cc 文件，实现可以创建 T 个线程（不同步），每个线程先插入 N 个元素，再依次移除并打印。所有线程共用一个链表。
设计可能发生的线程冲突问题，并探究其发生的原因。

问题1：内存共享

并行执行时一个线程可能会修改其他线程正在进行操作的双向链表，比如一个线程还没有完成它全部应该完成的任务时调用了Yield将资源让给其他线程，其他线程就再次对这个链表进行操作，使得链表还没有被删除就再次被插入。

我们可以在代码中加入这样一行代码来模拟该种情况（红色为加入的代码）：

void DLListTest(int which) {

fprintf(stdout, "Insert items in thread %d\n", which);

genItem2List(oprnum, dllist);

if(yield_flag == true) currentThread->Yield();

fprintf(stdout, "Remove items in thread %d\n", which);

delItemFromList(oprnum, dllist);

}

其中yield_flag是在threadtest.cc中定义的一个变量，表示是否可以强制切换线程，若值为1则可以，反之则不可以。通过在命令行中加入-y 1的参数可以改yield_flag的值为1。

但这种情况比较“善良”，并不会出现报错信息，只是会删除掉别的线程所生成的随机节点。运行如下指令，可看到结果：

./nachos -q 1 -t 2 -y 1

可以看到，第一个线程先插入然后紧接着第二个线程进行插入，最后是两个线程接连删除链表中的内容，最后链表中的内容会删空。

问题2：覆盖

并发的线程在链表的同一个地方插入不同的元素，导致其中那个先插入的元素被覆盖。

DLListTest2函数：

void DLListTest2() {

fprintf(stdout, "Insert items in thread %d\n", which); genItem2List(oprnum, dllist);

}

与问题1的区别在于，问题1是在整个插入操作执行完毕后进行线程的强制切换，而要复现出问题2的情况就需要在插入的过程中（即在新生成的节点与其他节点建立链接时）进行线程切换。

修改SortInsert函数(红色为起主要作用的代码)：

void DLList::SortedInsert(void *item, int sortKey) {

DLLElement *newnode = new DLLElement(item, sortKey);

DLLElement *ptr;

if(IsEmpty()) { // if is empty, newone is the only one

first = newnode;

last = newnode;

} else if(sortKey < first->key) {

newnode->next = first;

if(yield_flag && (testnum == 2 || testnum == 3)) currentThread->Yield();

first->prev = newnode;

first = newnode;

return ;

} else {

for(ptr = first; ptr->next != NULL; ptr = ptr->next) {

if(sortKey < ptr->next->key) {

newnode->next = ptr->next;

newnode->prev = ptr;

if(yield_flag && (testnum == 2 || testnum == 3)) currentThread->Yield();

ptr->next->prev = newnode;

ptr->next = newnode;

return ;

}

// insert to the tail

newnode->prev = last;

if(yield_flag && (testnum == 2 || testnum == 3)) currentThread->Yield();

last->next = newnode;

last = newnode;

}

在终端执行./nachos -q 2 -t 2 -y 1 -n 5表示执行DLListTest2()函数并开启两个线程同时往双向链表中插入5个随机数，设置线程可切换，运行结果如下：

可以看到，两个线程共往链表中插入了10个元素，但是最终打印出来的结果只有6个，从而复现了元素覆盖的情况。

问题3：乱序

两个线程在同一位置插入元素，可能导致顺序颠倒。

DllistTest3函数：

void DLListTest3(int which) { // out of order

fprintf(stdout, "In thread %d\n", which);

if(which == 0) {

InsertItem(which, dllist, 1);

InsertItem(which, dllist, 10); // Here to switch thread

InsertItem(which, dllist, 0);

InsertItem(which, dllist, 5);

PrintList(which, dllist);

InsertItem(which, dllist, 3);

InsertItem(which, dllist, 7);

PrintList(which, dllist);

} else { // which == 1

PrintList(which, dllist);

InsertItem(which, dllist, 3);

PrintList(which, dllist);

}

InsertItem函数：

void InsertItem(int which, DLList *dllist, int keyv) {

fprintf(stdout, "Thread %d : Insert %d to the dllist\n", which, keyv);

dllist->SortedInsert(NULL, keyv);

}

为了能够保证乱序情况的出现，DLListTest3中的代码使用了固定参数的节点，同样线程切换的位置发生了变化，即新插入的节点的前驱指针和后继指针都已连接完毕，而指向新插入的节点的指针还未连接时进行线程转换。

运行结果：

在终端输入./nachos -q 3 -y 1可以看到

线程1 想将元素3插入双向链表时，线程0还未将元素10完全插入双向链表，只是将元素10 的前驱指针和后继指针都指向了正确的地方，但是还没有指针指向元素10。

线程1插入元素3时发现元素3应该插在元素1的后面，并且和元素10一样，插了一半就换到了线程0。

换回线程0后，线程0继续完成未做完的工作（将该指向元素10的指针修改正确），于是把元素1的后继指向10。

在线程0插入下一个元素插入到一半的时候，又切换回线程1，线程1继续将没插完的元素3插入双向链表，它会将元素10的后继指向元素3。于是造成了乱序的现象

遇到的问题

一开始不太理解实验要求，像无头苍蝇一样不知道该如何进行实验。
双向链表不熟悉，刚开始建立和将双向链表打印出来的函数写得都有问题，于是我上网查阅资料，并简单地学习了gdb地用法，成功找出了BUG，顺利完成了本次实验。
看网上有资料说还有可能出现断链地情况，但是我一直没有办法复现出来，或者说其实已经出现了这种情况，但是我并没有发现它出现了，于是就没有在报告中体现这一部分地内容了。

实验总结

本次实验我学习到了简单使用nachos系统的方法，本次实验只涉及到线程，所以通过修改threads里的文件编写实现目标功能的函数，并运行，观察结果并分析。
简单了解了编写Makefile的语言规则。Makefile可以将编译众多文件的命令汇集到一个文件了，使用make命令执行Makefile，十分方便。
对于线程方面，主要想说的就是currentThread->Yield()，这个函数实际上就是让当前线程暂时放弃资源，去执行另一个线程的任务，当另一个线程完成操作之后，原线程再继续执行后续的操作。
本次实验中的线程并发本质上还是几个线程之间的切换，因此代码的执行顺序就非常重要，对于测试情况的设置就是基于对执行顺序的考虑，测试在不同位置切换线程可能造成的后果。

本实验完整代码均在gitee上，后续实验代码也会更新:

https://gitee.com/i-rong/nachos

posted @ 2023-04-02 18:00 Lumen3ever 阅读(1119) 评论(0) 收藏举报

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i-rong

操作系统实验1 体验 Nachos 下的并发程序设计

实验目的

实验要求

实验设计及关键代码实现

多线程执行可能出现的问题

正确编译Nachos

代码涉及的参数

实现双向链表

线程并发以及并发可能引起的问题

问题1：内存共享

问题2：覆盖

问题3：乱序

遇到的问题

实验总结

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