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SLUGS
最近刚做了最后一次实验，实现多线程同步（多线程对同一个缓冲区的使用问题），涉及到信号量的设计，这正是我知识点盲区，所以写得有点久了。
于是参考此处，略补了一点知识：https://github.com/Wangzhike/HIT-Linux-0.11/tree/master/5-semaphore
下面进入正题（开始抄老师ppt）。

实验内容

实现信号量

编辑文件kernel/sem.c，实现如下四个函数 int sys_sem_create(int value)value是信号量的初值 分配内存要用kmalloc，不能用malloc！ 成功返回信号量ID，否则返回-1 int sys_sem_destroy(int semid) 释放内存要用kfree，不能用free！ 成功返回0，否则返回-1 int sys_sem_wait(int semid) P操作，要用save_flags_cli/restore_flags和函数sleep_on 成功返回0，否则返回-1 int sys_sem_signal(int semid) V操作，要用save_flags_cli/restore_flags和函数wake_up 成功返回0，否则返回-1 把这四个函数做成系统调用，分别是sem_create/destroy/wait/signal

设计生产者/消费者

  • ①在图形模式下将屏幕沿垂直方向分成N份，作为N个缓冲区。其次，创建两个线程，其中一个是生产者，负责生成随机数并填到缓冲区中；另一个线程是消费者，负责把缓冲区中的随机数进行排序
    • 生产者生成随机数后，要画到缓冲区
    • 消费者完成排序之后，要清除缓冲区
  • ②创建一个控制线程，用键up/down控制生产者的优先级，用键right/left控制消费者的优先级
    • 把控制线程的静态优先级设置到最高，以保证控制效果
    • 在屏幕上用进度条动态显示生产者和消费者的静态优先级

预备知识

信号量

关于信号量 可以参考文章: Linux 0.11下信号量的实现和应用
EPOS互斥
  • EPOS运行于单CPU的计算机上 –内核可以用开关中断实现互斥
  • 中断的开关由EFLAGS中的IF位决定，指令如下：
    • sti，IF=1 中断打开
    • cli，IF=0 中断关闭
EFLAGS组成如下：
notion image
EPOS提供的中断API：
  • 保存EFLAGS的值到一个变量flags中，然后IF=0 save_flags_cli(flags)
  • 把变量flags的值恢复到EFLAGS中 restore_flags(flags)
Sample:

线程睡眠/唤醒API

睡眠void sleep_on(struct wait_queue **head) 参数head是睡眠队列的头指针 唤醒void wake_up(struct wait_queue **head, int n) 参数n表示要唤醒的线程个数，n小于0表示唤醒该队列中的所有线程 sleep_on和wake_up必须在关中断环境中运行，即用save_flags_cli/restore_flags保护
Sample:

实验步骤

信号量系统调用实现

kernel\kernel.h中定义结构体类型Semaphore，并声明需要用到的相关全局变量，并且声明系统调用服务例程函数
需要对Semaphore结构体类型说明的是： ①Sem_t为struct Semaphore的别名 ②id来自于GSID的值，作用是标识唯一的信号量结构体，后面通过它来寻找对应的信号量结构体首地址 ③val是信号量的值，在每一次P/V操作后会增1/减1 ④wq 是存放要使用该信号量的线程的等待队列的头指针 ⑤next使用next指针把所用信号量串成一个单向链表。
在\kernel\sem.c中完成对全局变量的初始化，以及对系统调用服务例程函数的实现:
注：AddrSem(sid)可以得到id为sid的信号量x地址，但使用AddrSem(sid-1)来得到链表中信号量x的前一个信号量地址是有缺陷的，因为sid-1的信号量可能已被destroy。但本实验不涉及这个问题，你可以采用AddrSem(sid-1)先得到sid-1的信号量地址Y，然后Y->next自然便是信号量x的地址。
系统调用的添加，参考前几次实验的添加步骤，大致如下：
  1. \userapp\include\syscall.h 声明系统调用API
  1. \userapp\lib\syscall-wrapper.S 定义封装例程
  1. \include\syscall-nr.h 定义系统调用号
  1. \kernel\kernel.h 声明系统调用服务例程函数sys_xxx
  1. \kernel\sem.c 实现系统调用服务例程函数
  1. \kernel\machdep.c 在系统调用分发函数syscall()中根据系统调用号加入SYSCALL_xxx分支。 跳过。

生产者/消费者设计

后面主要是创建线程，使用线程，画图之类的折腾，略述。 \userapp\main.c中，声明全局变量，信号量ID，buffer大小
注：互斥信号量数量取决于buffer的数量，这样可使生产者在填充新的缓冲区同时，可以让消费者清除旧的缓冲区（针对多消费者多生产者情况）。若只一个，那么只有等生产者线程填充完新的缓冲区，消费者才能清除旧的缓冲区，尽管两者使用的缓冲区并不是同一个。即使生产者线程用完了自己的时间片，由于共用了同一互斥信号量，消费者线程得到时间片也进不了临界区，直到生产者线程完成新缓冲区的填充。
下面说说生产者与消费者线程函数的创建，模板如下（具体代码见尾部）: 生产者线程函数模板：
消费者线程函数模板：

实验结果

notion image

感谢

感谢洪明坚老师的ppt，感谢学长们的实验报告，感谢网上大神的笔记。

代码附录

main.c
lab4.h
 
ArchLinux安装(一)操作系统实验——线程创建与调度
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