NachOS根据优先级的线程调度实验

注：由于老师一直没发实验报告模板，所以直到今天才开始写，本次实验是延续上一次实验所做，并会对上一次实验中的某些过程进行修改（不理解的同学可以看一下上一篇博客）！！！

实验目的

（1）通过阅读相关源码，掌握NachOS调度的数据结构和实现过程；
（2）对NachOS线程描述进行完善，增加关于调度的内容；
（3）掌握NachOS线程调度的算法。

实验内容

（1）在NachOS线程描述中增加调度优先级的数据成员，并完善就绪队列管理的成员方法；
（2）实现基于优先级的FCFS调度。

实验过程

这次试验也是看了许多网上的方法，最后根据自己的能力写了一个自己能理解的方法，那就是：线程在进入后序队列时进行修改，让优先级高的线程排在优先级低的线程前面。

线程被调进就绪队列是在Yield函数（位置：thread.cc）中被调用：

kernel->scheduler->ReadyToRun(this); //将当前线程加入就绪队列

void
Thread::Yield ()
{Thread *nextThread;IntStatus oldLevel = kernel->interrupt->SetLevel(IntOff);  //关中断ASSERT(this == kernel->currentThread);  DEBUG(dbgThread, "Yielding thread: " << name);nextThread = kernel->scheduler->FindNextToRun();//找到下一个要运行的线程并使nextThrad指向它if (nextThread != NULL) {kernel->scheduler->ReadyToRun(this); //将当前线程加入就绪队列kernel->scheduler->Run(nextThread, FALSE); //运行下一个线程}(void) kernel->interrupt->SetLevel(oldLevel);
}

所以需要转到scheduler.cc中查看：scheduler->ReadyToRun

void
Scheduler::ReadyToRun (Thread *thread)
{ASSERT(kernel->interrupt->getLevel() == IntOff);DEBUG(dbgThread, "Putting thread on ready list: " << thread->getName());thread->setStatus(READY);       //将线程状态置为就绪态readyList->Append(thread);     //将线程加入就绪队列的队尾
}

所我们就可以参照 Append() （位置：list.cc）方法的结构，自己写一个根据优先级插入的方法，线程在进入后序队列时，让优先级高的线程排在优先级低的线程前面。对于 Append() 函数的结构大家就自己去查看就好，下面就直接阐述实现的过程。

实现过程：
（1）因为Append() 函数是list.cc中的函数，所以我们自己写插入函数的时候，也应该是在list.cc中实现，在这之前需要在list.h中声明一下：
void Newsort(T item,int priority);

template <class T>
class List {public:List();                     // initialize the listvirtual ~List();            // de-allocate the listvirtual void Prepend(T item);// Put item at the beginning of the listvirtual void Append(T item); // Put item at the end of the list
//----------------------------------------------------------------------------------------修改处--调度实验void Newsort(T item,int priority);  //创建一个方法  对要传入就绪队列的线程排序插入(根据优先级的高低)//----------------------------------------------------------------------------------------T Front() { return first->item; }

（2）然后就可以在list.cc中实现这个方法了（在这个函数中：priority值越大，则优先级越高）：

//------------------------------------------------------------------修改处---实现list.h中的方法
template <class T>
void
List<T>::Newsort(T item, int priority)  // item-->当前线程  priority-->当前线程的优先级
{ListElement<T> *element = new ListElement<T>(item);  //创建的一个以 item 为核心的节点 ASSERT(!IsInList(item));   //当要加入的线程已经在队列中时就打断运行，并输出报错信息if(IsEmpty())  //当队列为空时，就直接将当前的 item 放在里面 {Prepend(item);   // 将其放在最后面 ，因为是空的，所以最后最前都是一样的 }else{//当不为空时，则按照优先级值的大小进行插入 (类似于学数据结构时的链表的插入) ListElement<T> *prev = first;   //定义一个指针指向头节点first ListElement<T> *ptr = NULL;   //定义一个指针先放空， 用于后面插入的时候，记录前一个节点的位置 while(prev != NULL) //即当该节点不为空时，节点会不断向后移动，当移到最后一个节点的后面时就为空 {if(priority > prev->item->priority)   //当当前线程的优先级大于指针指向的节点的优先级时 {element->next = prev;   //当前线程的尾指针指向 prev if(ptr == NULL)first = element;//当当前队列中：当前线程的优先级是最高时，头节点直接指向它 elseptr->next = element;//如果ptr不为空，则ptr记录了上一个节点的位置，//则将上一个节点的尾指针指向当前线程             numInList++; //队列中的元素个数加1         break;}ptr = prev;   //ptr记录当前指针的位置 prev = prev->next;  // prev向下移动一个节点 }if(ptr == last)   //如果ptr记录的已经为最后一个节点了，则说明当前线程的优先级是队列中最低的 {                                                                       //直接将它插入到最后面Append(item);                                                                                                                                }}
}
//-------------------------------------------------------------------------------------------

（3）方法已经实现了，那我们就可以使用这个方法了，方法应该要在哪里使用呢？之前的 Append() 函数是在scheduler->ReadyToRun（位置：scheduler.cc）中使用的，所以新创建的这个方法也在scheduler->ReadyToRun中使用就可以了，当然对其进行了一定的修改：

void
Scheduler::ReadyToRun (Thread *thread)
{ASSERT(kernel->interrupt->getLevel() == IntOff);DEBUG(dbgThread, "Putting thread on ready list: " << thread->getName());thread->setStatus(READY);       //将线程状态置为就绪态
//------------------------------------------------------------------------------------------ -修改处
//    readyList->Append(thread);     //将线程加入就绪队列的队尾-----------将原来的这句注释掉if(readyList->IsEmpty())    //如果就绪队列是空时{                              //  直接将当前线程加队尾（这里队尾和队头都是一样的，因为里面是空的）readyList->Append(thread); return;               }readyList->Newsort(thread, thread->priority);   //不为空时调用自己写的函数，参数为：当前线程、优先级值//------------------------------------------------------------------------------------------------
}

注：当我们这些条件都准备好后，就可以对thread.cc进行修改了。因为这次实验是在上一次实验基础做的，所以对于上一次实验的部分不在阐述，重新修改的地方将会用 //*************** 指明。

（4）首先对原构造函数Thread::Thread(char* threadName) （位置：thread.cc）
进行修改，将main线程和postal worker线程的优先级进行置为最高10000；将ping线程的优先级置为-1；将里面的输出语句注释掉，输出语句我们放到测试函数中去实现。

Thread::Thread(char* threadName)
{//--------------------------------------------------------------------------------------修改处if(++threadNUM>=MAX_SIZE){                    //当线程数大于规定的最大线程数时，输出最大线程数，并打断程序执行cout<<"最大线程数："<<MAX_SIZE<<endl;ASSERT(threadNUM<=MAX_SIZE);}int i=0;for(i=0;i<MAX_SIZE;i++){    //每次创建一个新的线程，这里便要从0开始检查，直到到达未被使用的线程号为止if(Tstatus[i]==0){    //如果线程号未被使用，便执行以下操作this->tid=i+1;    //  给线程赋上一个id号， 因为是从0开始计算，所id号需要加1srand(time(0)+i);    //设置一个随机种子         this->priority=rand()%(100);  //给每个线程附加一个随机的优先级值Tstatus[i]=1;       //将该线程号状态置为1，表示已经被使用了break;}}
//************************************************************************************************修改处if(strcmp(threadName,"main")==0||strcmp(threadName,"postal worker")==0)this->priority =10000;if(strcmp(threadName,"ping")==0)this->priority=-1;
//***********************************************************************************************name = threadName;stackTop = NULL;stack = NULL;status = JUST_CREATED;for (int i = 0; i < MachineStateSize; i++) {machineState[i] = NULL;         // not strictly necessary, since// new thread ignores contents // of machine registers}space = NULL;
//*****************************************************************************************************修改处---将上一次实验的修改处注释掉
//--------------------------------------------------------------------------修改处
//      cout<<"线程名："<<this->getName()<<"    线程id："<<this->getid()<<"    线程优先级："<<this->priority<<endl;//输出线程一系列参数：名字、id、优先级。
//-------------------------------------------------------------------------------
}

（5）对析构函数Thread::~Thread()（位置：thread.cc）进行修改：

Thread::~Thread()
{DEBUG(dbgThread, "Deleting thread: " << name);
//---------------------------------------------------------------------------修改处Tstatus[tid-1]=0;     //将该线程号的状态置0，即被释放了之后，该线程号可以被其他线程使用threadNUM--;       //  将现在线程的总数减1//-----------------------------------------------------------------------------ASSERT(this != kernel->currentThread);if (stack != NULL)DeallocBoundedArray((char *) stack, StackSize * sizeof(int));
}

（6）对测试函数Thread::SelfTest()（位置：thread.cc）进行修改：

void
Thread::SelfTest()
{DEBUG(dbgThread, "Entering Thread::SelfTest");
//-----------------------------------------------------------------------修改处--以下部分为原代码被注释掉
/*    Thread *t = new Thread("forked thread");t->Fork((VoidFunctionPtr) SimpleThread, (void *) 1);kernel->currentThread->Yield();SimpleThread(0);
*/
//************************************************************修改处---将第一次修改的部分注释掉
//------------------------------------------------------------------修改处-/*      Thread *t[124];   //定义一个大小为124的线程数组，因为在程序运行中会产生另外4个线程，1个main线程// 1个postal worker 线程，2个ping线程，所以这里创建124个线程正好满足128个线程for(int i = 0;i < 124;i++){t[i] = new Thread("线程");}       */
//------------------------------------------------------------------------
//******************************************************************修改处---添加本次的修改处Thread *t[5];for(int i=0;i<5;i++){t[i]= new Thread("New Thread");cout<<"线程名: "<< t[i]->getName()<<"   线程ID: "<< t[i]->getid()<<"   优先级: "<<t[i]->getPriority()<<endl;if(i==4) cout<<endl;t[i]->Fork((VoidFunctionPtr)SimpleThread,(void *)t[i]);}
}

（7）注：我们在修改的测试函数中SimpleThread,(void *)t[i])，参数变为了 t[i] ，所以下面我们修改SimpleThread (int which) （位置：thread.cc）函数时需要对其参数一并修改：

static void
SimpleThread(Thread *t)     //将这里的参数类型变为 Thread类型
{int num;for (num = 0; num < 2; num++) {  //这里就只运行2次便于观察cout<<"线程名: "<<t->getName()<<"   线程ID："<<t->getid()<<"   优先级: "<<t->getPriority()<<"   lopped: "<<num<<"   times"<<endl;kernel->currentThread->Yield();}
}

（8）改到这里就以基本完成了，但你这个时候去运行就会发现会报错，这是因为priority是一个私有变量，无法传递到某些类中去使用，所以就必须将它变为公开的变量，这就需要到 thread.h 中进行修改（这里将 tid 一并转移到了公开区域），同时创建了一个getPriority() 函数：

class Thread {private:// NOTE: DO NOT CHANGE the order of these first two members.// THEY MUST be in this position for SWITCH to work.int *stackTop;                       // the current stack pointervoid *machineState[MachineStateSize];  // all registers except for stackTop
//*******************************************************************将私有变量 priority和 tid 注释掉
//------------------------------------------------------------------------------修改处
//      int tid;   //定义每一个线程的id号
//      int priority;    //定义每个线程的优先级//因为每个线程的id和由优先级都是独有的，所以定义在私有变量
//--------------------------------------------------------------------------------public:Thread(char* debugName);            // initialize a Thread ~Thread();                          // deallocate a Thread// NOTE -- thread being deleted// must not be running when delete // is called// basic thread operations
//*************************************************修改处---将上面两个变量定义到公开区域，同再创建一个getPriority() 函数
//---------------------------------------------------------------------------修改处int tid;   //定义每一个线程的id号int priority;    //定义每个线程的优先级int  getid(){return this->tid;}     //返回该线程的id号int getPriority(){ return this->priority;}       //返回新构造函数的优先级值
//--------------------------------------------------------------------------

这样就完成了所有的修改，下面是实验运行的结果：

注1：由于使用的是原构造函数，所以就会有main线程和postal worker线程的出现，但是我们将原构造函数中的输出语句放到了测试函数中，所以就不会输出这两个线程的一系列参数，但是它们是存在的，所以最后输出的ID号是从3开始的，但不影响结果，写好注释说明即可。

注2：实验环境：Ubuntu14.04。

写的不是很好，大家就将就看一下，有错误的地方大家多多包涵。
最后希望大家早日完成实验报告，少熬夜。