作業系統課程設計——pintos原始碼的分析與修改
Task one
今天來談第一個project 的第二個問題--優先順序排程問題。
一、內容介紹
現代作業系統，併發是基本特徵。當有多個執行緒在系統中執行時，一般是通過排隊的方式採用RR（時間片輪轉法）策略輪流佔用CPU的，其中最簡單，看似最公平的排程策略是FCFS，但是這種方法不能夠區分執行緒執行的輕重緩急，看似公平實則不公平，容易造成系統性能低下。因此，作業系統設計者通常會賦予執行緒優先順序，並採用高優先順序者先呼叫的策略，兼顧公平與效率。在原始的Pintos系統中關於優先順序排程沒有考慮優先順序問題，本實現的內容是為pintos建立優先順序排程機制，並確保在任何時刻在CPU上執行的都是最高優先順序執行緒。
二、分析與設計
首先回顧一下執行緒的狀態轉換，執行緒的常見狀態分為以下三種running,ready,block.在之前的作業系統課程中，我們已經學過基本的狀態轉換，如下。
CPU的排程是指從ready中選擇執行緒佔有CPU,狀態轉換是ready->run,原則是高優先順序的執行緒先於低優先順序的執行緒排程，所以當出現最高優先順序的執行緒可以搶佔CPU。這個修改核心思想分為兩個方面，一是.當新優先順序的執行緒執行緒出現時，要與原有的最高優先順序執行緒進行比較，判斷是否進行CPU搶佔，二是進行結果的處理，對於高優先順序執行緒，佔有CPU，對於低優先順序執行緒要有序插入ready_list
A.在判斷搶佔CPU時，於是出現兩種可能的情況：
(1)有新執行緒生成，執行緒的最後狀態是ready,此時系統中的最高優先順序執行緒是正在執行的執行緒，因此需要新執行緒與runnning執行緒進行優先順序比較。新執行緒的優先順序的高於當前正在執行的執行緒，則新的執行緒應該迫使當前的執行緒讓出CPU，在thread_yield()中會進行重新的執行緒排程，由於此時新執行緒優先順序最高，則必定排程新執行緒，即出現新執行緒搶佔CPU的現象。
(2)當前正在執行的執行緒優先順序改變，尤其指優先順序降低時，此時系統中的最高優先順序執行緒是ready_list的隊頭執行緒，（注意ready_list
分析如下圖示：
B.在進行結果處理時，出現了兩種可能情況。
(1)對於搶佔上CPU的執行緒，那麼自然就是在CPU上運行了，其狀態是running.我們不需要進行特殊改變。
(2) 對於沒有搶佔上CPU的執行緒，自然要放在ready_list中了。上文已經提到過，我們在進行放入時要進行有序放入ready_list中，原始碼中採用的是list_push_back(),此函式只是簡單的將執行緒放入隊首，不能滿足我們的要求。為了進行有序排放，我們可以選用list_insert_order()函式，通過比較優先順序，將執行緒插入到ready_list中的合適位置。
實現如下圖示功能：
三、詳細實現
Pintos系統中函式呼叫關係如下：
具體實現分以下幾種情況討論：
關於所用到的各種函式呼叫關係
1.有新生執行緒生成
thread_create(); //thread.c
分析：
在thread_creat()中，建立新執行緒的過程是：
init_thread()(設定執行緒的狀態是THREAD_BLOCKED，設定執行緒的初始優先順序,將此執行緒放入all_list佇列中))--->設定執行緒的上下文環境---> thread_unblock()（解阻塞該執行緒，放入ready_list佇列中）
狀態轉換是block->ready->running或者block->ready
屬於上述中A類中（1）的新生執行緒（新優先順序執行緒的第一種情況，系統建立新執行緒）
理論修改：
當新執行緒解阻塞之後放入reday_list中時，應該先比較該新執行緒的優先順序與當前CPU正在執行的執行緒的優先順序，是否發生CPU搶佔。對於結果需要分情況處理
原始碼修改：
.....
Thread_unblock();
/*************************************************************
//add
If(priority>thread_current()->prioriity) //if--搶佔CPU
Thread_yield()；
//else--thread_unblock()中已經將其先放入ready_list隊中了，那麼此時不做處理
//************************************************************
........
1.當前執行緒自己改變優先順序
thread_set_priority() //thread.c
分析：
此函式是修改當前執行緒的優先順序，那麼當增高優先順序時，自然還是最高優先順序執行緒，不做處理，當優先順序下降時，可能不是系統中的最高優先順序，需要進行處理。
屬於上述中A類中（2）
狀態轉換是running或者running->block
理論修改：
在設定完新執行緒的優先順序之後，與ready_list隊頭的執行緒進行優先順序比較，是否讓出CPU，結果分情況處理。
原始碼修改：
Thread_current()->pirority=new_priority;
//***********************************************************************
//add
if(list_entry(list_begin(&ready_list),struct thread,elem)->priority >=new_priority)
thread_yield();
//**********************************************************************
此處對list_entry（）函式做格外說明，函式原型為巨集定義，在list.h中可以找到；
我們一直提到的list佇列，包括ready_list,all_list或者waiters等，直觀意義上說是指的是執行緒佇列，那麼在list結構體中真的存的是執行緒體嗎，或者說list中的元素elem（也可稱為結點）是一個執行緒體嗎？答案是否定的，在list中的元素是struct list_elem,佇列成員是list_elem,那麼list_elem又是什麼呢？它與thread又有什麼聯絡呢？下面我們看一下thread的結構體定義：
struct thread
{
tid_t tid; /* Thread identifier. */
enum thread_status status; /* Thread state. */
char name[16]; /* Name (for debugging purposes). */
uint8_t *stack; /* Saved stack pointer. */
int priority; /* Priority. */
struct list_elem allelem; /* List element for all threads list. */
struct list_elem elem; /* List element. */
}
現在應該可以直接看出list_elem與thread的關係，每一個thread都會有一個專屬於自己的elem成員，這個elem成員用於作為各種佇列元素來代表自己，其實這裡我想到了關於健值的含義，個人感覺elem好像是thread的健值一樣。
分析了這麼多，list_entry（）函式的作用到底是什麼，可以看到我們通過使用list_entry（）函式得到了一個執行緒（list_entry(...)->priority）,再看list_entry（）的三個傳入引數list_begin(&ready_list)，struct thread,elem，那麼我們是不是可以大膽猜想list_entry()函式通過elem在ready_list中查詢，找到了begin元素相應的thread.其實list_entry()函式的作用就是如此，不僅可以在ready_list中查詢，還可以在all_list,和waiters中查詢相應的實體結構。
2.關於結果處理情況
主要是在插入佇列中時，應該有序插入，所有關於插入情況討論如下：
所謂發生佇列插入，可以向ready_list或者waiter中加入新的元素，由上述轉換圖可以看出，分為兩大類情況
A.向ready_list中插入新的元素
(1)running->ready
可能發生在A-2中，當前執行緒的優先順序被超越，因此thread_yield(),在thread_yield（）中已經將執行緒的狀態由running->ready，因此我們不需要改變。
(2)block->ready.
自然會想到unblock，即解阻塞，將執行緒狀態由阻塞變為reday,插入ready_list中，至於之後應該怎麼排程，那就不是unblock的工作了，unblock只負責狀態轉換一次，其實，最早考慮到要不要在unblock的函式中加入重新排程的函式，表面上看似乎是合理的，但是仔細分析，這樣做的話，其實你已經改變了原始碼中thread_unblock()的含義，此函式可以將執行緒的狀態由block變為ready!這樣做即使不影響現在的函式使用，但是有可能影響原始碼中其他關於thread_unblock的使用，你不經意改變了原始碼中函式的意思，必然與原始碼中的此函式其它使用情況產生衝突，這個道理是我想到狀態轉換圖時突然明白的，之前試著改了，但是一直疑惑為什麼沒有結果。
原始碼修改：
thread_unblock()
/*list_push_back (&ready_list, &t->elem); */（原程式）
list_insert_ordered(&ready_list, &t->elem, pri_more, NULL);（新的改法）
這裡涉及了一個pri_more函式，這個函式是優先順序比較函式
pri_more(const struct list_elem *a,const struct list_elem *b,void *aux) //作用物件：執行緒
{
struct thread *a_thread,*b_thread;
a_thread=list_entry(a,struct thread, elem);
b_thread=list_entry(b,struct thread, elem);
return (a_thread->priority > b_thread->priority);
}
函式直觀很好理解，在此不做說明。
B.向阻塞佇列中插入新的元素，與訊號量函式有關
（1）sema_down() -----P操作
在申請訊號量時，若訊號量不夠，則發生阻塞，對sema->waiter中的執行緒按照優先順序有序插入
原始碼修改：
//************************************************************************
//list_push_back (&sema->waiters, &thread_current ()->elem) (原程式)
list_insert_ordered(&sema->waiters, &thread_current ()->elem, pri_more, NULL); (新方法)
//**************************************************************************
（2）sema_up() -----V操作
一個訊號量可能會阻塞多個執行緒，應將優先順序最高的執行緒從 block 態轉換為ready 態。
原始碼修改：
加入定義：
//******************************************************************
struct thread *t=NULL;
修改if (!list_empty (&sema->waiters)) 條件分支中：
/* thread_unblock (list_entry (list_pop_front (&sema->waiters),struct thread, elem)); */（原程式）
{
t = list_entry (list_pop_front (&sema->waiters), struct thread, elem);
thread_unblock (t);
}
在sema->value++; 後加入：
if(t != NULL && t->priority > thread_current()->priority)
thread_yield();
//*******************************************************************
(3)cond_wait()
對等待條件變數的list(waiters)按照優先順序有序插入
原始碼修改：
//*******************************************************************
在 struct semaphore_elem 中加入新屬性：
int sema_priority; //表示訊號量的優先順序
/* list_push_back (&cond->waiters, &waiter.elem); */ (原始碼)
waiter.sema_priority = thread_current ()->priority;
list_insert_ordered (&cond->waiters, &waiter.elem, cond_priority, NULL);
//*******************************************************************
在這裡同樣會設計一個優先順序比較函式，是比較執行緒關於訊號量的優先順序，與上文不同。
Bool cond_priority (const struct list_elem *lhs, const struct list_elem *rhs, void *aux UNUSED)
//功能與pri_more 類似，作用物件：semaphore_elem
{
struct semaphore_elem *l, *r;
l = list_entry (lhs, struct semaphore_elem, elem);
r = list_entry (rhs, struct semaphore_elem, elem);
return (l->sema_priority > r->sema_priority);
}
四、實驗結果
實驗結果截圖如下：