基于C++实现用户级线程库【100012060】

# 用户级线程库的实现 # 1 设计目标 本次课程设计的目标是开发一个用户级线程库，功能包括完整的线程创建/删除/joining，互斥锁，条件变量，以及一个基于优先级的调度器。完成此用户级线程库，可以使用该线程库编写多线程的应用，替代 Linux 中的 pthreads. # 2 线程库的具体内容 使用线程库前首先要调用 uthread_init()。这个函数只执行一次，负责初始化数据结构，比如全局 uthreads 矩阵和 ut_curthr(当前正在执行的线程)。 uthread_init()中有一些特殊的代码，处理当前正在执行的进程的上下文(即调用 uthread_init()的进程)，使其成为一个有效的 uthread，并设置 ut_curthr 为该 uthread，这个 uthread 被称为主线程或 0 号线程。所有事情初始化后，可以使用线程 uthread_create()创建线程。 一旦创建好线程，线程库能够调度这些线程。若线程需要暂时 yield 处理器给另一个线程 (仍然是可执行的，即处于就绪态)，则需要调用 uthread_yield()。线程可以通过 uthread_block()进入睡眠态，也可以通过 uthread_wake()被唤醒。uthread_switch()函数负责选择另一个线程运行。调度器调度时，采用优先级调度算法，线程优先级可以由 uthread_setprio()设置，数字越大优先级越高，相同优先级的线程则轮流使用 CPU。每个优先级一个队列，相关的数据结构见 uthread_sched.c 中的 runq_table。 Uthreads 中的线程有 6 种状态，定义如下： ```c typedef enum  {     UT_NO_STATE,        /* 无效的线程状态 */     UT_ON_CPU,          /* 线程正在执行 */     UT_RUNNABLE,        /* 线程可运行，就绪 */     UT_WAIT,            /* 线程被阻塞 */     UT_ZOMBIE,          /* 线程处于 zombie 状态，即已结束，但需要回收资源 */     UT_TRANSITION,      /* 线程处于创建状态 */         UT_JOINABLE,           //线程结束时需要一个线程回收其资源     UT_DETACHABLE,          //线程结束时，不需要一个线程回收其资源      UT_NUM_THREAD_STATES    //线程状态数目 } uthread_state_t; ```  在 uthreads 中永远不会有多于一个线程同时执行，但线程可被抢占。在 uthreads 中，使用 uthread_makecontext()创建线程的机器上下文。如果需要改变当前正在执行线程，需要调用 uthread_swapcontext()，这使得当前 CPU 上下文被保存，新的上下文被执行。保存的上下文作为 newctx 参数在之后调用 uthread_swapcontext()时被重新执行。 Uthread 中有一个线程称之为 Reaper 线程，也就是 1 号线程，负责清理已结束线程占用的资源。值得注意的是 reaper 并不清理已经结束但还没有 joined 的 non-detached 线程，而是让 uthread_join()去完成。 # 3 实现过程 需要实现的函数如下（更具体的实现思路请看源代码的注释）。 uthread_yield：当前正在运行的线程让出 CPU，线程仍然处于可运行状态，即 UT_RUNNABLE。调用此函数时，当前线程加入到就绪队列，如果当前线程大于系统中已有的最高优先级线程，则直接从 uthread_yield 返回；否则放弃 CPU，转去执行最高优先级的线程。 uthread_wake：唤醒指定的线程，使其可再次被执行（注意：线程有可能已经处于就绪态）。所作的事情：改变状态，将其放入就绪队列。 uthread_setprio：改变指定线程的优先级。注意，如果线程已处于 UT_RUNNABLE 状态（可执行，但没有占有 CPU），则应该改变其优先级队列，如果该指定线程的优先级高于当前调用者，则调用者还要放弃 CPU；如果线程状态为 UT_TRANSITION，则它是一个刚创建的线程（即将第一次被放入就绪队列），将其状态改为 UT_RUNNABLE。成功时返回 1，否则返回 0。  uthread_switch：找到最高优先级的可运行线程，然后使用 uthread_swapcontext()切换到它（注意设置 UT_ON_CPU 线程状态和当前线程）。如果调用线程本身就是最高优先级线程，则切换回调用线程。主要工作：找出系统中优先级最高的线程，并切换（必须要有可执行线程）。  uthread_init：这个函数只在用户进程启动时调用一次，用于初始化所有的全局数据结构和变量。这个函数需要设置每一个线程的 ut_state 和 ut_id，简单起见，本系统中选择线程数组的下标作为 ut_id。 uthread_create：创建一个线程执行指定的函数<func>，函数的参数为<arg1>和<arg2>，优先级为<prio>。首先，使用uthread_alloc找到一个有效的id，找不到时，返回合适的错误；然后，为线程分配栈，分配不成功时返回合适的错误；使用uthread_makecontext()创建线程的上下文；按照新发现的线程id，设置uthread_t结构，调用uthread_setprio设置线程的优先级，在<uidp>中返回线程id。不成功时返回0。 uthread_exit：结束当前的线程（注意设置 uthread_t 中的标志）。如果线程是 UT_DETACHABLE，则通过调用 make_reapable()将其放入清理线程（reaper）清理队列并唤醒清理清理线程。如果线程是 UT_JOINABLE，则唤醒等待的线程。然后调用 uthread_switch()切换线程。  uthread_join：等待指定的线程结束，如果线程没有结束执行，调用线程需要阻塞，直到线程结束。主要工作：如果要等待的线程还没有结束，则置线程的等待线程为当前线程，线程状态改为 UT_WAIT，切换线程；如果成功地等到了线程结束，则调用 make_reapable 唤醒清理线程 reaper 将其彻底清理。错误条件及对应的 error code 参考 pthread_join 的 manpage。  uthread_self：返回当前正在执行的线程的 id。 uthread_alloc：找到一个自由的 uthread_t，返回其 id(uthread_id_t)。 uthread_destroy：清理指定的线程。 uthread_cond_init：初始化指定的条件变量。 uthread_cond_wait：等待指定的条件变量。改变当前线程的状态，释放当前线程占有的锁，并将当前线程放入条件变量的等待队列中，切换线程。 uthread_cond_broadcast：唤醒等待于此条件变量的所有线程。 uthread_cond_signal：唤醒等待于此条件变量的一个线程。 uthread_mtx_init：初始化指定的 mutex。 uthread_mtx_lock：如果没有线程占有该锁，则将锁的拥有者改为当前线程，否则，当前阻塞，让出 CPU。 uthread_mtx_trylock：试图上锁 mutex，得到锁时返回 1，否则返回 0。 uthread_mtx_unlock：释放锁。如果有其他线程在等待该锁，则唤醒它。 # 4 结果分析  # 5 课程设计总结 在这次课程设计的过程中，我对线程调度有了更深入的了解；通过查阅 Linux 的源码和文档以及国内外相关论坛和博客，我解决了出现的各种疑惑和不解，对操作系统的原理也有了进一步的掌握；此外，我可以更熟练地使用 GDB 进行调试，能够更高效地理解和解决程序 bug。