操作系统lab6实验报告

实验五完成了用户进程的管理，可在用户态运行多个进程。可是目前的进程调度策略是FIFO策略，而本实验则会实现Stride Scheduling调度算法。

练习0:填写已有实验

同样使用一款名为meld的软件进行对比即可，大致截图如下：

现在将需要修改的文件罗列如下：

proc.c
default_pmm.c
pmm.c
swap_fifo.c
vmm.c
trap.c

然后是一些需要简单修改的部分，根据注释的提示，主要是一下两个函数需要额外加以修改。

alloc_proc函数

这里alloc_proc还需要修改一下，完整的代码如下：

static struct proc_struct *
alloc_proc(void) {
    struct proc_struct *proc = kmalloc(sizeof(struct proc_struct));
    if (proc != NULL) {
        proc->state = PROC_UNINIT;
        proc->pid = -1;
        proc->runs = 0;
        proc->kstack = 0;
        proc->need_resched = 0;
        proc->parent = NULL;
        proc->mm = NULL;
        memset(&(proc->context), 0, sizeof(struct context));
        proc->tf = NULL;
        proc->cr3 = boot_cr3;
        proc->flags = 0;
        memset(proc->name, 0, PROC_NAME_LEN);
        proc->wait_state = 0;
        proc->cptr = proc->optr = proc->yptr = NULL;
        proc->rq = NULL;
        list_init(&(proc->run_link));
        proc->time_slice = 0;
        proc->lab6_run_pool.left = proc->lab6_run_pool.right = proc->lab6_run_pool.parent = NULL;
        proc->lab6_stride = 0;
        proc->lab6_priority = 0;
    }
    return proc;
}

相比于lab5，lab6对proc_struct结构体再次做了扩展，这里主要是多出了以下部分

    proc->rq = NULL;//初始化运行队列为空
    list_init(&(proc->run_link));//初始化运行队列的指针
    proc->time_slice = 0;//初始化时间片
    proc->lab6_run_pool.left = proc->lab6_run_pool.right proc->lab6_run_pool.parent = NULL; //初始化各类指针为空，包括父进程等待
    proc->lab6_stride = 0;//步数初始化
    proc->lab6_priority = 0;//初始化优先级

具体的解释见注释。

trap_dispatch函数

这里在时钟产生的地方需要对定时器做初始化，修改的部分如下：

static void
trap_dispatch(struct trapframe *tf) {
    ......
    ......
    ticks ++;
    assert(current != NULL);
    run_timer_list(); //更新定时器，并根据参数调用调度算法
    break;
    ......
    ......
}

练习1 使用Round Robin调度算法

Round Robin调度算法的调度思想是让所有 runnable 态的进程分时轮流使用 CPU 时间。Round Robin 调度器维护当前 runnable进程的有序运行队列。当前进程的时间片用完之后,调度器将当前进程放置到运行队列的尾部，再从其头部取出进程进行调度。

在这个理解的基础上，我们来分析算法的具体实现。

这里Round Robin调度算法的主要实现在default_sched.c之中，源码如下：

static void
RR_init(struct run_queue *rq) {
    list_init(&(rq->run_list));
    rq->proc_num = 0;
}

static void
RR_enqueue(struct run_queue *rq, struct proc_struct *proc) {
    assert(list_empty(&(proc->run_link)));
    list_add_before(&(rq->run_list), &(proc->run_link));
    if (proc->time_slice == 0 || proc->time_slice > rq->max_time_slice) {
        proc->time_slice = rq->max_time_slice;
    }
    proc->rq = rq;
    rq->proc_num ++;
}

static void
RR_dequeue(struct run_queue *rq, struct proc_struct *proc) {
    assert(!list_empty(&(proc->run_link)) && proc->rq == rq);
    list_del_init(&(proc->run_link));
    rq->proc_num --;
}

static struct proc_struct *
RR_pick_next(struct run_queue *rq) {
    list_entry_t *le = list_next(&(rq->run_list));
    if (le != &(rq->run_list)) {
        return le2proc(le, run_link);
    }
    return NULL;
}

static void
RR_proc_tick(struct run_queue *rq, struct proc_struct *proc) {
    if (proc->time_slice > 0) {
        proc->time_slice --;
    }
    if (proc->time_slice == 0) {
        proc->need_resched = 1;
    }
}

struct sched_class default_sched_class = {
    .name = "RR_scheduler",
    .init = RR_init,
    .enqueue = RR_enqueue,
    .dequeue = RR_dequeue,
    .pick_next = RR_pick_next,
    .proc_tick = RR_proc_tick,
};

现在我们来逐个函数的分析，从而了解Round Robin调度算法的原理。

首先是RR_init函数，函数比较简单，不再罗列，完成了对进程队列的初始化。

然后是RR_enqueue函数，

static void RR_enqueue(struct run_queue *rq, struct proc_struct *proc) {
    assert(list_empty(&(proc->run_link)));
    list_add_before(&(rq->run_list), &(proc->run_link));
    if (proc->time_slice == 0 || proc->time_slice > rq->max_time_slice) {
        proc->time_slice = rq->max_time_slice;
    }
    proc->rq = rq;
    rq->proc_num ++;
}

看代码，首先，它把进程的进程控制块指针放入到rq队列末尾，且如果进程控制块的时间片为0，则需要把它重置为max_time_slice。这表示如果进程在当前的执行时间片已经用完，需要等到下一次有机会运行时，才能再执行一段时间。然后在依次调整rq和rq的进程数目加一。

然后是RR_dequeue函数

static void
RR_dequeue(struct run_queue *rq, struct proc_struct *proc) {
    assert(!list_empty(&(proc->run_link)) && proc->rq == rq);
    list_del_init(&(proc->run_link));
    rq->proc_num --;
}

即简单的把就绪进程队列rq的进程控制块指针的队列元素删除，然后使就绪进程个数的proc_num减一。

接下来是RR_pick_next函数。

static struct proc_struct *RR_pick_next(struct run_queue *rq) {
    list_entry_t *le = list_next(&(rq->run_list));
    if (le != &(rq->run_list)) {
        return le2proc(le, run_link);
    }
    return NULL;
}

选取函数，即选取就绪进程队列rq中的队头队列元素，并把队列元素转换成进程控制块指针，即置为当前占用CPU的程序。

最后是

static void RR_proc_tick(struct run_queue *rq, struct proc_struct *proc) {
    if (proc->time_slice > 0) {
        proc->time_slice --;
    }
    if (proc->time_slice == 0) {
        proc->need_resched = 1;
    }
}  

观察代码，即每一次时间片到时的时候，当前执行进程的时间片time_slice便减一。如果time_slice降到零，则设置此进程成员变量need_resched标识为1，这样在下一次中断来后执行trap函数时，会由于当前进程程成员变量need_resched标识为1而执行schedule函数，从而把当前执行进程放回就绪队列末尾，而从就绪队列头取出在就绪队列上等待时间最久的那个就绪进程执行。

之后是一个对象化，提供一个类的实现，不是重点，这里不做赘述。

练习2 实现Stride Scheduling调度算法

首先，根据实验指导书的要求，先用default_sched_stride_c覆盖default_sched.c，即覆盖掉Round Robin调度算法的实现。

覆盖掉之后需要在该框架上实现Stride Scheduling调度算法。

关于Stride Scheduling调度算法，经过查阅资料和实验指导书，我们可以简单的把思想归结如下：

• 1、为每个runnable的进程设置一个当前状态stride，表示该进程当前的调度权。另外定义其对应的pass值，表示对应进程在调度后，stride 需要进行的累加值。
• 2、每次需要调度时，从当前 runnable 态的进程中选择 stride最小的进程调度。对于获得调度的进程P，将对应的stride加上其对应的步长pass（只与进程的优先权有关系）。
• 3、在一段固定的时间之后，回到步骤2，重新调度当前stride最小的进程

参照实验指导书所给的伪代码能够更好的理解该调度算法：

接下来针对代码我们逐步分析，首先完整代码如下：

#include <defs.h>
#include <list.h>
#include <proc.h>
#include <assert.h>
#include <default_sched.h>

#define USE_SKEW_HEAP 1
static int
proc_stride_comp_f(void *a, void *b)
{
     struct proc_struct *p = le2proc(a, lab6_run_pool);
     struct proc_struct *q = le2proc(b, lab6_run_pool);
     int32_t c = p->lab6_stride - q->lab6_stride;
     if (c > 0) return 1;
     else if (c == 0) return 0;
     else return -1;
}

static void
stride_init(struct run_queue *rq) {
     /* LAB6: YOUR CODE */
     list_init(&(rq->run_list));
     rq->lab6_run_pool = NULL;
     rq->proc_num = 0;
}

static void
stride_enqueue(struct run_queue *rq, struct proc_struct *proc) {
     /* LAB6: YOUR CODE */
#if USE_SKEW_HEAP
     rq->lab6_run_pool = skew_heap_insert(rq->lab6_run_pool, &(proc->lab6_run_pool), proc_stride_comp_f);
#else
     assert(list_empty(&(proc->run_link)));
     list_add_before(&(rq->run_list), &(proc->run_link));
#endif
     if (proc->time_slice == 0 || proc->time_slice > rq->max_time_slice) {
          proc->time_slice = rq->max_time_slice;
     }
     proc->rq = rq;
     rq->proc_num ++;
}

static void
stride_dequeue(struct run_queue *rq, struct proc_struct *proc) {
     /* LAB6: YOUR CODE */
#if USE_SKEW_HEAP
     rq->lab6_run_pool =
          skew_heap_remove(rq->lab6_run_pool, &(proc->lab6_run_pool), proc_stride_comp_f);
#else
     assert(!list_empty(&(proc->run_link)) && proc->rq == rq);
     list_del_init(&(proc->run_link));
#endif
     rq->proc_num --;
}

static struct proc_struct *
stride_pick_next(struct run_queue *rq) {
     /* LAB6: YOUR CODE */
#if USE_SKEW_HEAP
     if (rq->lab6_run_pool == NULL) return NULL;
     struct proc_struct *p = le2proc(rq->lab6_run_pool, lab6_run_pool);
#else
     list_entry_t *le = list_next(&(rq->run_list));

     if (le == &rq->run_list)
          return NULL;

     struct proc_struct *p = le2proc(le, run_link);
     le = list_next(le);
     while (le != &rq->run_list)
     {
          struct proc_struct *q = le2proc(le, run_link);
          if ((int32_t)(p->lab6_stride - q->lab6_stride) > 0)
               p = q;
          le = list_next(le);
     }
#endif
     if (p->lab6_priority == 0)
          p->lab6_stride += BIG_STRIDE;
     else p->lab6_stride += BIG_STRIDE / p->lab6_priority;
     return p;
}

static void
stride_proc_tick(struct run_queue *rq, struct proc_struct *proc) {
     /* LAB6: YOUR CODE */
     if (proc->time_slice > 0) {
          proc->time_slice --;
     }
     if (proc->time_slice == 0) {
          proc->need_resched = 1;
     }
}

struct sched_class default_sched_class = {
     .name = "stride_scheduler",
     .init = stride_init,
     .enqueue = stride_enqueue,
     .dequeue = stride_dequeue,
     .pick_next = stride_pick_next,
     .proc_tick = stride_proc_tick,
};

首先是初始化函数stride_init。

开始初始化运行队列，并初始化当前的运行队，然后设置当前运行队列内进程数目为0。

static void
stride_init(struct run_queue *rq) {
     /* LAB6: YOUR CODE */
     list_init(&(rq->run_list));
     rq->lab6_run_pool = NULL;
     rq->proc_num = 0;
}  

然后是入队函数stride_enqueue，根据之前对该调度算法的分析，这里函数主要是初始化刚进入运行队列的进程 proc 的stride属性，然后比较队头元素与当前进程的步数大小，选择步数最小的运行，即将其插入放入运行队列中去，这里并未放置在队列头部。最后初始化时间片，然后将运行队列进程数目加一。

static void
stride_enqueue(struct run_queue *rq, struct proc_struct *proc) {
     /* LAB6: YOUR CODE */
#if USE_SKEW_HEAP
     rq->lab6_run_pool = skew_heap_insert(rq->lab6_run_pool, &(proc->lab6_run_pool), proc_stride_comp_f);
#else
     assert(list_empty(&(proc->run_link)));
     list_add_before(&(rq->run_list), &(proc->run_link));
#endif
     if (proc->time_slice == 0 || proc->time_slice > rq->max_time_slice) {
          proc->time_slice = rq->max_time_slice;
     }
     proc->rq = rq;
     rq->proc_num ++;
}

然后是出队函数stride_dequeue，即完成将一个进程从队列中移除的功能，这里使用了优先队列。最后运行队列数目减一。

static void
stride_dequeue(struct run_queue *rq, struct proc_struct *proc) {
     /* LAB6: YOUR CODE */
#if USE_SKEW_HEAP
     rq->lab6_run_pool = skew_heap_remove(rq->lab6_run_pool, &(proc->lab6_run_pool), proc_stride_comp_f); //从优先队列中移除
#else
     assert(!list_empty(&(proc->run_link)) && proc->rq == rq);
     list_del_init(&(proc->run_link));
#endif
     rq->proc_num --;
}

接下来就是进程的调度函数stride_pick_next，观察代码，它的核心是先扫描整个运行队列，返回其中stride值最小的对应进程，然后更新对应进程的stride值，将步长设置为优先级的倒数，如果为0则设置为最大的步长。

static struct proc_struct *
stride_pick_next(struct run_queue *rq) {
     /* LAB6: YOUR CODE */
#if USE_SKEW_HEAP
     if (rq->lab6_run_pool == NULL) return NULL;
     struct proc_struct *p = le2proc(rq->lab6_run_pool, lab6_run_pool);
#else
     list_entry_t *le = list_next(&(rq->run_list));

     if (le == &rq->run_list)
          return NULL;

     struct proc_struct *p = le2proc(le, run_link);
     le = list_next(le);
     while (le != &rq->run_list)
     {
          struct proc_struct *q = le2proc(le, run_link);
          if ((int32_t)(p->lab6_stride - q->lab6_stride) > 0)
               p = q;
          le = list_next(le);
     }
#endif
    //更新对应进程的stride值
     if (p->lab6_priority == 0)
          p->lab6_stride += BIG_STRIDE;
     else p->lab6_stride += BIG_STRIDE / p->lab6_priority;
     return p;
}

最后是时间片函数stride_proc_tick，主要工作是检测当前进程是否已用完分配的时间片。如果时间片用完,应该正确设置进程结构的相关标记来引起进程切换。这里和之前实现的Round Robin调度算法一样，所以不赘述。

还有一个优先队列的比较函数proc_stride_comp_f的实现，主要思路就是通过步数相减，然后根据其正负比较大小关系。

static int
proc_stride_comp_f(void *a, void *b)
{
     struct proc_struct *p = le2proc(a, lab6_run_pool);
     struct proc_struct *q = le2proc(b, lab6_run_pool);
     int32_t c = p->lab6_stride - q->lab6_stride;//步数相减，通过正负比较大小关系
     if (c > 0) return 1;
     else if (c == 0) return 0;
     else return -1;
}  

另外还有就是一个封装类的实现，也不详细解释了。

实验结果

在lab6的根目录下运行make qemu，得到如下结果：

观察可知，实验成功。