基于nachos线程工作机制与系统调用及多道程序分析课程设计说明书(含程序)
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操作系统课程设计
专业名称：_软件工程______________________
操作系统课程设计
——基于nachos的课程设计
主要完成工作：阅读代码，完成基于线程优先级调度，多道程序设计，完成小组课程设计报告
基于线程优先级调度部分
一、问题分析及工作原理
线程运行机制图：
Scheduler::Run
进程的基本状态：就绪，运行，阻塞
进程程的基本操作：创建，阻塞，唤醒
Fork方法调用 StackAllocate，分配一块固定大小的内存作为线程的堆栈，设置
栈首指针，线程准备好运行后进行线程切换，会切换到ThreadRoot函数。
ThreadRoot 函数将会开中断，并调用func(arg)成为一个独立的调度单位。
然后设置PC指针，从ThreadRoot开始运行，初始化宿主机寄存器，为ThreadRoot作好准备，ThreadRoot 将分别调用InterruptEnable，func(arg)和ThreadFinish。
Yield方法用于本线程放弃处理机。
Sleep方法可以使当前线程转入阻塞态，并放弃CPU，直到被另一个线程唤醒，把它放回就绪线程队列。
如果没有就绪线程时，就把时钟前进到一个中断发生的时刻，让中断发生并处理此中断，这是因为在没有线程占用CPU时，只有中断处理程序可能唤醒一个线程，并把它放入就绪线程队列。
Scheduler类用于实现线程的调度。
它维护一个就绪线程队列，当一个线程可以占用处理机时，就可以调用ReadyToRun方法把这个线程放入就绪线程队列，并把线程状态改成就绪态。
FindNextToRun方法根据调度策略，取出下一个应运行的线程，并把这个线程从就绪线程队列中删除。
如果就绪线程队列为空，则此函数返回空(NULL)。
现有的调度策略是先进先出策略(FIFO)
二、算法思想设计：
为线程（Thread）添加priority属性，用来描述每个线程的优先级，并在线程创建时设置或创建后修改线程的优先级，加入就绪队列（readyList）时，先比较当前线程和就绪队列里的线程的优先级，优先级高的插入在前面，如果优先级相同，则两个线程按先后顺序排列，相当与先来先服务（FCFS），这样，当CPU空闲时需要从就绪队列取出一个线程时，取出的总是优先级最高的线程。
三、详细设计及关键代码分析：
首先，为线程（Thread）添加priority属性，用来描述每个线程的优先级，并添加int setpriority()设置进程优先级和getpriority（）获得线程优先级的函数，并增加新的构造函数Thread(char* threadName ,int prio)
//Thread.h
//添加了priority属性以及getPriority()和setpriority()
//添加了新的构造函数Thread(char* threadName ,int prio)
//
//在原来的构造函数Thread（char *threadName）中设置默认优先级为最高（0）
//新的构造方法Thread(char* threadName ,int prio)
然后修改readyList为SortedList类型（原来为List类型），方便插入就绪线程，对线程进行排序。
//Scheduler.h
当一个线程需要加入到就绪队列时不是采用原来的(thread)将线程加入到最后，而是利用Insert(thread)将线程按优先级插入到就绪队列
//
修改SelfTest()创建几个不同优先级的进程进行测试
//
以上创建了四个不同优先级的线程，按优先级高的线程优先执行，如果优先级相同，则按照等待时间长的优先运行，线程优先级为
t3>t1>t2=t4
而由于线程2先于线程4加入等待队列则线程2先执行，故执行顺序应该为：
t3->t1->t2->t4
四、测试及结果分析：
./nachos -K
实际运行结果如下：
由以上运行结果可知进程是按优先级高低顺序来执行的
五、多道程序部分
主要完成以下设计：
1.exec 系统调用
exec 用于执行一个可执行文件
首先从 4 号寄存器读取系统调用的参数(即传递的可执行文件名指针,也就是在内存的地址),然后从内存读取文件名,打开文件,使用该可执行文件初始化一个新的进程空间,将当前的进程的地址空间覆盖,初始化所有的寄存器值,恢复到进程空间, 开始执行。
2.Open系统调用
Open 系统调用用于打开一个文件,返回文件描述符。
可以调用 nachos 系统封装的打开文件的方法,这个方法是调用了底层的操作系统的方法,然后打开的是宿
主系统的文件。
然后将打开的文件描述符写到 2 号寄存器,执行下一条指令。
3.Read 系统调用
read 系统调用传递打开的文件描述符,读的大小,缓冲区地址用于存放读的内容, 返回读得字节数。
首先从寄存器取得参数,然后调用 nachos 封装宿主机的方法读取内容以及读到的字节数,然后将内容写到 nachos 模拟的物理内存,地址是刚刚接受的参数,最后将读到的字节数写道 2 号寄存器,执行下一条指令。
4.Write 系统调用
先读取内容的地址(在内存中),读取写入的大小以及要写入的文件描述符,然后写到文件中(调用 nachos 封装的方法)。
六、问题分析
在实现多道程序时出现了比较多的问题，导致最后没能完成，首先，我们对多道程序运行机制进行了详细的了解，并根据源码中的样例ADD的执行过程，单步跟踪，深入了解了NACHOS是如何执行用户程序的，然后进行算法思想的设计，即如何实现多道程序，在实现系统调用程序设计阶段，主要系统调用未能实现，主要原因是由于对代码的整体把握出错，由于在设计及分析阶段只了解了NACHOS运行用户程序的详细流程以及如何进行用户程序的调用，而对代码的整体了解不够，导致在根据设计思路完成程序设计的过程中，出现了比较大的问题，比如在实现EXEC系统调用时，根据NACHOS的每个寄存器存的内容不同，按规则读取寄存的内容，然后再进行对其内容的操作，模仿源代码已有的操作ADD系统调用，实现EXEC系统调用。
在测试程序运行时，出现了cannot open file的错误，主要原因是：由于在代码实现时，写错了文件名所在寄存器，导致无法打开文件，所以就没能完成文件调用的测试。
而对EXEC 系统调用的其他部分则是正确的，其他几个系统调用也出现了同样的问题，但是这个问题一直未能发现，导致本次设计无法顺利进行下去。
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七、心得及体会
本次课程设计对我的提升还是非常大的，首先，由于分析了NACHOS的主要代码以及详细运行过程，对操作系统中的基本原理和核心算法有一个全面和完整的了解。
对操作系统课上的内容有了更深了理解，包括线程管理，内存管理，系统调用机制，时钟中断，多道程序，文件系统等等都有了比较清楚的认识，由原来抽象的概念变成了形象的认识。
其次，在本次课程设计中由于对涉及源代码比较多，理解起来比较费时，而这正提高了我的理解代码以及分析和解决问题的能力，最重要的是NACHOS带给我的是一种自信，用老师的话来说就是一种巅峰认知，让我以后在面对较困难的事情时有了更多的自信，同时提高了分析解决问题的能力。
（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）
授课：XXX。
