ucore操作系统lab7——实验报告_二值信号量实验报告-优快云博客

本文详细介绍了ucore操作系统lab7的练习内容，包括内核级信号量的实现和哲学家就餐问题。分析了信号量的工作流程，提供了用户态和内核级信号量机制的设计方案，并探讨了它们的异同。接着，文章讲解了内核级条件变量的概念，以及如何基于条件变量解决哲学家就餐问题。通过管程机制，阐述了条件变量在ucore中的应用和实现。

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注：lab7不需要修改之前的代码，直接合并到lab7即可。

一、练习一: 理解内核级信号量的实现和基于内核级信号量的哲学家就餐问题

分析了解lab7采用信号量的执行过程。请在实验报告中给出内核级信号量的设计描述，并说其大致执行流流程。

给出给用户态进程/线程提供信号量机制的设计方案，并比较说明给内核级提供信号量机制的异同。

struct semaphore {
int count;
queueType queue;
};
void semWait(semaphore s)
{
s.count--;
if (s.count < 0) {
/* place this process in s.queue */;
/* block this process */;
}
}
void semSignal(semaphore s)
{
s.count++;
if (s.count<= 0) {
/* remove a process P from s.queue */;
/* place process P on ready list */;
}
}

基于上诉信号量实现可以认为，当多个（>1）进程可以进行互斥或同步合作时，一个进程会由于无法满足信号量设置的某条件而在某一位置停止，直到它接收到一个特定的信号（表明条件满足了）。为了发信号，需要使用一个称作信号量的特殊变量。为通过信号量s传送信号，信号量的V操作采用进程可执行原语semSignal(s)；为通过信号量s接收信号，信号量的P操作采用进程可执行原语semWait(s)；如果相应的信号仍然没有发送，则进程被阻塞或睡眠，直到发送完为止。
ucore中信号量参照上述原理描述，建立在开关中断机制和wait queue的基础上进行了具体实现。信号量的数据结构定义如下：

typedef struct {
    int value;                           //信号量的当前值
    wait_queue_t wait_queue;     //信号量对应的等待队列
} semaphore_t;

在ucore中最重要的信号量操作是P操作函数down(semaphore_t *sem)和V操作函数 up(semaphore_t *sem)。但这两个函数的具体实现是__down(semaphore_t *sem, uint32_t wait_state) 函数和__up(semaphore_t *sem, uint32_t wait_state)函数，二者的具体实现描述如下：

① __down(semaphore_t *sem, uint32_t wait_state, timer_t *timer)：具体实现信号量的P操作，首先关掉中断，然后判断当前信号量的value是否大于0。如果是>0，则表明可以获得信号量，故让value减一，并打开中断返回即可；如果不是>0，则表明无法获得信号量，故需要将当前的进程加入到等待队列中，并打开中断，然后运行调度器选择另外一个进程执行。如果被V操作唤醒，则把自身关联的wait从等待队列中删除（此过程需要先关中断，完成后开中断）。具体实现如下所示：

static __noinline uint32_t __down(semaphore_t *sem, uint32_t wait_state) {
    bool intr_flag;
    local_intr_save(intr_flag);
    if (sem->value > 0) {
        sem->value --;
        local_intr_restore(intr_flag);
        return 0;
    }
    wait_t __wait, *wait = &__wait;
    wait_current_set(&(sem->wait_queue), wait, wait_state);//让wait与进程关联，且让当前进程关联的wait进入等待队列queue，当前进程睡眠
    local_intr_restore(intr_flag);

    schedule();

    local_intr_save(intr_flag);//当被唤醒时
    wait_current