2024年4月28日发(作者：)
LAB7实验报告
实验目的：
熟悉ucore中的进程同步机制，了解操作系统为进程同步提供的底层支持；
在ucore中理解信号量（semaphore）机制的具体实现；
理解管程机制，在ucore内核中增加基于管程（monitor）的条件变量（condition variable）
的支持；
了解经典进程同步问题，并能使用同步机制解决进程同步问题
实验内容：
实验六完成了用户进程的调度框架和具体的调度算法，可调度运行多个进程。如果多个进程
需要协同操作或访问共享资源，则存在如何同步和有序竞争的问题。本次实验，主要是熟悉
ucore的进程同步机制—信号量（semaphore）机制，以及基于信
号量的哲学家就餐问题解决方案。然后掌握管程的概念和原理，并参考信号量机制，实现基
于管程的条件变量机制和基于条件变量来解决哲学家就餐问题。
在本次实验中，在kern/sync/check_sync.c中提供了一个基于信号量的哲学家就餐问题解法。
同时还需完成练习，即实现基于管程（主要是灵活运用条件变量和互斥信号量）的哲学家就
餐问题解法。哲学家就餐问题描述如下：有五个哲学家，他们的生活方式是交替地进行思考
和进餐。哲学家们公用一张圆桌，周围放有五把椅子，每人坐一把。在圆桌上有五个碗和五
根筷子，当一个哲学家思考时，他不与其他人交谈，饥饿时便试图取用其左、右最靠近他的
筷子，但他可能一根都拿不到。只有在他拿到两根筷子时，方能进餐，进餐完后，放下筷子
又继续思考。
一．练习
练习0：填写已有实验
练习1: 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（不需要编码）
完成练习0后，建议大家比较一下（可用kdiff3等文件比较软件）个人完成的lab6和练习0
完成后的刚修改的lab7之间的区别，
分析了解lab7采用信号量的执行过程。执行make grade，大部分测试用例应该通过。
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。
请在实验报告中给出给用户态进程/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
思考题：
1.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。
答：
struct semaphore {
int count;
queueType queue;
};
void semWait(semaphore s)
{
--;
if ( < 0) {
/* place this process in */;
/* block this process */;
}
}
void semSignal(semaphore s)
{
++;
if (<= 0) {
/* remove a process P from */;
/* 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：
[cpp] view plaincopy
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;
}
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