用戶級(jí)線程庫課程設(shè)計(jì)報(bào)告

課程設(shè)計(jì)報(bào)告書題目：用戶級(jí)線程庫的實(shí)現(xiàn)

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用戶級(jí)線程庫的實(shí)現(xiàn)目錄TOC\o"1-3"\h\u6600用戶級(jí)線程庫的實(shí)現(xiàn) 320407一、設(shè)計(jì)目標(biāo) 315546二、線程庫的具體內(nèi)容 39069三、實(shí)現(xiàn)過程 46029四、結(jié)果分析 828215五、課程設(shè)計(jì)總結(jié) 9一、設(shè)計(jì)目標(biāo)本次課程設(shè)計(jì)的目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)用戶級(jí)線程庫，功能包括完整的線程創(chuàng)建/刪除/joining，互斥鎖，條件變量，以及一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度器。完成此用戶級(jí)線程庫，可以使用該線程庫編寫多線程的應(yīng)用，替代linux中的pthreads.二、線程庫的具體內(nèi)容使用線程庫前首先要調(diào)用uthread_init()。這個(gè)函數(shù)只執(zhí)行一次，負(fù)責(zé)初始化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，比如全局uthreads矩陣和ut_curthr(當(dāng)前正在執(zhí)行的線程)。uthread_init()中有一些特殊的代碼，處理當(dāng)前正在執(zhí)行的進(jìn)程的上下文(即調(diào)用uthread_init()的進(jìn)程)，使其成為一個(gè)有效的uthread，并設(shè)置ut_curthr為該uthread，這個(gè)uthread被稱為主線程或0號(hào)線程。所有事情初始化后，可以使用線程uthread_create()創(chuàng)建線程。一旦創(chuàng)建好線程，線程庫能夠調(diào)度這些線程。若線程需要暫時(shí)yield處理器給另一個(gè)線程(仍然是可執(zhí)行的，即處于就緒態(tài))，則需要調(diào)用uthread_yield()。線程可以通過uthread_block()進(jìn)入睡眠態(tài)，也可以通過uthread_wake()被喚醒。uthread_switch()函數(shù)負(fù)責(zé)選擇另一個(gè)線程運(yùn)行。調(diào)度器調(diào)度時(shí)，采用優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，線程優(yōu)先級(jí)可以由uthread_setprio()設(shè)置，數(shù)字越大優(yōu)先級(jí)越高，相同優(yōu)先級(jí)的線程則輪流使用CPU。每個(gè)優(yōu)先級(jí)一個(gè)隊(duì)列，相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見uthread_sched.c中的runq_table。Uthreads中的線程有6種狀態(tài)，定義如下：typedef

enum

{

UT_NO_STATE,

/*

無效的線程狀態(tài)

*/

UT_ON_CPU,

/*

線程正在執(zhí)行

*/

UT_RUNNABLE,

/*

線程可運(yùn)行，就緒

*/

UT_WAIT,

/*

線程被阻塞

*/

UT_ZOMBIE,

/*

線程處于

zombie

狀態(tài)，即已結(jié)束，但需要回收資源

*/

UT_TRANSITION,

/*

線程處于創(chuàng)建狀態(tài)

*/

UT_JOINABLE,

//線程結(jié)束時(shí)需要一個(gè)線程回收其資源

UT_DETACHABLE,

//線程結(jié)束時(shí)，不需要一個(gè)線程回收其資源

UT_NUM_THREAD_STATES

//線程狀態(tài)數(shù)目}

uthread_state_t;圖SEQ圖\*ARABIC1Uthread狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖在uthreads中永遠(yuǎn)不會(huì)有多于一個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行，但線程可被搶占。在uthreads中，使用uthread_makecontext()創(chuàng)建線程的機(jī)器上下文。如果需要改變當(dāng)前正在執(zhí)行線程，需要調(diào)用uthread_swapcontext()，這使得當(dāng)前CPU上下文被保存，新的上下文被執(zhí)行。保存的上下文作為newctx參數(shù)在之后調(diào)用uthread_swapcontext()時(shí)被重新執(zhí)行。Uthread中有一個(gè)線程稱之為Reaper線程，也就是1號(hào)線程，負(fù)責(zé)清理已結(jié)束線程占用的資源。值得注意的是reaper并不清理已經(jīng)結(jié)束但還沒有joined的non-detached線程，而是讓uthread_join()去完成。三、實(shí)現(xiàn)過程需要實(shí)現(xiàn)的函數(shù)如下（更具體的實(shí)現(xiàn)思路請(qǐng)看源代碼的注釋）。uthread_yield：當(dāng)前正在運(yùn)行的線程讓出CPU，線程仍然處于可運(yùn)行狀態(tài)，即UT_RUNNABLE。調(diào)用此函數(shù)時(shí)，當(dāng)前線程加入到就緒隊(duì)列，如果當(dāng)前線程大于系統(tǒng)中已有的最高優(yōu)先級(jí)線程，則直接從uthread_yield返回；否則放棄CPU，轉(zhuǎn)去執(zhí)行最高優(yōu)先級(jí)的線程。uthread_wake：喚醒指定的線程，使其可再次被執(zhí)行（注意：線程有可能已經(jīng)處于就緒態(tài)）。所作的事情：改變狀態(tài)，將其放入就緒隊(duì)列。uthread_setprio：改變指定線程的優(yōu)先級(jí)。注意，如果線程已處于UT_RUNNABLE狀態(tài)（可執(zhí)行，但沒有占有cpu），則應(yīng)該改變其優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，如果該指定線程的優(yōu)先級(jí)高于當(dāng)前調(diào)用者，則調(diào)用者還要放棄CPU；如果線程狀態(tài)為UT_TRANSITION，則它是一個(gè)剛創(chuàng)建的線程（即將第一次被放入就緒隊(duì)列），將其狀態(tài)改為UT_RUNNABLE。成功時(shí)返回1，否則返回0。圖SEQ圖\*ARABIC2uthread_yield()示意圖uthread_switch：找到最高優(yōu)先級(jí)的可運(yùn)行線程，然后使用uthread_swapcontext()切換到它（注意設(shè)置UT_ON_CPU線程狀態(tài)和當(dāng)前線程）。如果調(diào)用線程本身就是最高優(yōu)先級(jí)線程，則切換回調(diào)用線程。主要工作：找出系統(tǒng)中優(yōu)先級(jí)最高的線程，并切換（必須要有可執(zhí)行線程）。圖SEQ圖\*ARABIC3uthread_switch()示意圖uthread_init：這個(gè)函數(shù)只在用戶進(jìn)程啟動(dòng)時(shí)調(diào)用一次，用于初始化所有的全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和變量。這個(gè)函數(shù)需要設(shè)置每一個(gè)線程的ut_state和ut_id，簡單起見，本系統(tǒng)中選擇線程數(shù)組的下標(biāo)作為ut_id。uthread_create：創(chuàng)建一個(gè)線程執(zhí)行指定的函數(shù)<func>，函數(shù)的參數(shù)為<arg1>和<arg2>，優(yōu)先級(jí)為<prio>。首先，使用uthread_alloc找到一個(gè)有效的id，找不到時(shí)，返回合適的錯(cuò)誤；然后，為線程分配棧，分配不成功時(shí)返回合適的錯(cuò)誤；使用uthread_makecontext()創(chuàng)建線程的上下文；按照新發(fā)現(xiàn)的線程id，設(shè)置uthread_t結(jié)構(gòu)，調(diào)用uthread_setprio設(shè)置線程的優(yōu)先級(jí)，在<uidp>中返回線程id。不成功時(shí)返回0。uthread_exit：結(jié)束當(dāng)前的線程（注意設(shè)置uthread_t中的標(biāo)志）。如果線程是UT_DETACHABLE，則通過調(diào)用make_reapable()將其放入清理線程（reaper）清理隊(duì)列并喚醒清理清理線程。如果線程是UT_JOINABLE，則喚醒等待的線程。然后調(diào)用uthread_switch()切換線程。圖SEQ圖\*ARABIC4uthread_exit()示意圖uthread_join：等待指定的線程結(jié)束，如果線程沒有結(jié)束執(zhí)行，調(diào)用線程需要阻塞，直到線程結(jié)束。主要工作：如果要等待的線程還沒有結(jié)束，則置線程的等待線程為當(dāng)前線程，線程狀態(tài)改為UT_WAIT，切換線程；如果成功地等到了線程結(jié)束，則調(diào)用make_reapable喚醒清理線程reaper將其徹底清理。錯(cuò)誤條件及對(duì)應(yīng)的errorcode參考pthread_join的manpage。圖SEQ圖\*ARABIC5uthread_join()示意圖uthread_self：返回當(dāng)前正在執(zhí)行的線程的id。uthread_alloc：找到一個(gè)自由的uthread_t，返回其id(uthread_id_t)。uthread_destroy：清理指定的線程。uthread_cond_init：初始化指定的條件變量。uthread_cond_wait：等待指定的條件變量。改變當(dāng)前線程的狀態(tài)，釋放當(dāng)前線程占有的鎖，并將當(dāng)前線程放入條件變量的等待隊(duì)列中，切換線程。uthread_cond_broadcast：喚醒等待于此條件變量的所有線程。uthread_cond_signal：喚醒等待于此條件變量的一個(gè)線程。uthread_mtx_init：初始化指定的mutex。uthread_mtx_lock：如果沒有線程占有該鎖，則將鎖的擁有者改為當(dāng)前線程，否則，當(dāng)前阻塞，讓出CPU。uthread_mtx_trylock：試圖上鎖mutex，得到鎖時(shí)返回1，否則返回0。uthread_mtx_unlock：釋放鎖。如