同步机制实习报告
善良的大姐姐 2015.3.30
目录
一：总体概述 ................................................................................... 3 二：任务完成情况 ............................................................................ 3 任务完成列表（Y/N） ................................................................ 3 具体Exercise的完成情况 ........................................................... 3 三：遇到的困难以及解决方法 ...................................................... 12 四：收获及感想 ............................................................................. 12 内容五：参考文献 .......................................................................... 13
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一：总体概述
Lab3首先要求阅读Nachos系统提供的同步机制代码，即Semaphore的实现。其次要求修改底层源代码，达到“扩展同步机制，实现同步互斥实例”的目标。具体来说，即要求在Semaphore的基础上，实现Lock锁和Mesa管程的Condition（条件变量）。此外，还要利用编写的同步机制，来实现互斥实例，进而证明同步机制编写的正确性。
二：任务完成情况
任务完成列表（Y/N）
Exercise1 Yes Exercise2 Yes Exercise3 Yes Exercise4 Yes Challenge1 Yes Challenge2 Yes 具体Exercise的完成情况
Exercise1：调研
任务：
调研Linux中实现的同步机制 调研情况：
Linux的同步机制包括好几层。 第一层：原子操作。 以x86体系结构为例，定义在linuxX.X/include/asm-i386/atomic.h文件中。文件内定义了原子类型atomic_t，其仅有一个字段counter，用于保存32位数据。其中原子操作函数atomic_inc完成自加原子操作。 第二层：自旋锁。 以x86体系结构为例，定义在linuxX.X/include/asm-i386/spinlock.h文件中。其中__raw_spin_lock完成自旋锁的加锁功能。自旋锁达到的效果为，在等待锁的线程会不断地申请锁，直到获得锁或是时间片用尽从而离开CPU。 第三层：信号量 以x86体系结构为例，定义在linuxX.X/include/asm-i386/semaphore.h文件中。信号量的申请操作使用down函数，释放操作使用up函数。即通常所说的PV操作。区别于自旋锁，当一个进程在等待一个锁时，会让出CPU进入休眠状态，直到其他进程释放锁后，将该进程放入可运行队列。
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Exercise2：源代码阅读
任务
阅读下列源代码，理解Nachos现有的同步机制。 code/threads/synch.h和code/threads/synch.cc code/threads/synchlist.h和code/threads/synchlist.cc 阅读情况 Synch.cc(h)
文件中有三个类：Semaphore, Lock, Condition。
其中Semaphore是已经编写完成的。主要功能是：通过一个名字和一个初始值可以初始化一个Semaphore。P函数的作用是：判断当前线程能否进入临界区，如果可以（即初始值≠0），则进入，且初始值减一；如果不能（即初始值＝0），则将当前线程放入Semaphore的等待队列中，线程进入休眠状态。V函数的作用是：如果Semaphore的等待队列不为空，将等待队列的队头线程取出来，将其状态标识为ReadyToRun，并且初始值加1。
另外两个类是本次作业需要完成的，会在之后说明。
Synchlist.cc(h)
文件中包括一个Synchlist类，实现了一个互斥访问的队列。
具体来说，类中有一个Append函数，用于将元素加入队列；有一个Remove函数，用于将队头元素移出队列。而互斥访问的实现方式为：用Lock锁将Append函数体和Remove函数体保护起来。保证了二者至多只有一个可以被被CPU运行，直到函数体结束。（即线程切换的中断不会造成线程交替运行）
这两个函数模拟了monitor（管程）的函数体互斥性，因此在之后的作业中会用到。
Exercise3：实现锁和条件变量
任务
可以使用sleep和wakeup两个原语操作（注意屏蔽系统中断），也可以使用Semaphore作为唯一同步原语（不必自己编写开关中断的代码）。
完成情况 1. Lock
简述：
使用Semaphore作为同步原语，定义的时候创建一个初始值为1的Semaphore。对应的，Acquire函数就是执行Semaphore的P函数，Release函数就是执行Semaphore的V函数。
验证正确性：
采用基于优先级抢占式调度，一个线程递归生成优先级更高的线程。如果没有Lock，那么当前线程就会被抢占，那么运行结果会是这样：
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接连输出before fork 再接连输出after fork
但若在线程一开始加上了互斥锁，那么只有当当前线程运行结束后，它fork出来的线程才能获得锁，才能运行，运行结果如下：
一个线程输出了before fork和after fork之后，另一个线程才能输出
2. Condition
简述：
修改情况 新增List变量conditionlist Wait函数：
简单解释 容纳正在等待某个signal的线程 Release的原因是，由于管程的互斥访问5