nachos Lab3实习报告

### 相关知识点 #### 总体概述 本次实验室任务主要围绕着Nacho系统的同步机制展开，通过理论学习与实际编码的方式，深入了解操作系统层面的同步技术。学生需要掌握Linux下的同步机制，并在此基础上，实现一些基本的同步原语如锁、条件变量等，并通过解决生产者消费者问题、读者写者问题等经典同步问题来加深理解。 #### 任务完成情况 ##### Exercise1调研 **原子操作** 原子操作是指不可分割的操作，即在操作过程中不会被其他任务或事件打断。这类操作常用于实现资源的引用计数，确保在多个任务间正确地管理资源的生命周期。例如，在Linux系统中，原子操作通常用来实现简单的加减计数器，以跟踪某个资源的引用次数。 **自旋锁** 自旋锁是一种特殊的锁定机制，主要用于防止多处理器环境中并发访问共享资源导致的问题。当一个线程尝试获取已被其他线程占用的自旋锁时，该线程将不断检查锁的状态，而不是进入睡眠状态等待锁被释放。这种机制在内核中非常常见，特别是在处理中断时。自旋锁适用于保持时间很短的场景，因为长时间的自旋可能会浪费大量的CPU时间。 **读写自旋锁** 读写自旋锁是一种更复杂的锁定机制，它支持多个读操作同时进行，但不允许读和写操作同时进行。这意味着多个读线程可以同时持有锁，但只有一个写线程可以拥有锁。这种锁的设计考虑了大多数情况下读操作比写操作更频繁，从而提高了并发性和效率。 **顺序锁** 顺序锁是对读写锁的一种改进，它允许读操作在写操作正在进行时继续进行，只要这些读操作不会受到写操作的影响。这种方式提高了并发性，尤其是在读写操作不太可能冲突的情况下。然而，写操作仍然需要互斥，即一次只能有一个写操作进行。 **信号量** 信号量是一种广泛使用的同步工具，用于控制对共享资源的访问。信号量的值可以表示可以同时访问资源的任务数量。如果一个任务尝试获取一个已被占用的信号量，则会被放入等待队列并进入睡眠状态，直到信号量被释放。信号量可以用于实现互斥锁（信号量值为1时），也可以作为计数信号量（信号量值大于1时）。 **自旋锁与信号量的比较** - **相似之处**：自旋锁和信号量都是用于同步的工具，它们都可以确保在任何时刻只有一个执行单元能够访问共享资源。 - **不同之处**：自旋锁不会导致调用者睡眠，而是持续检查锁的状态；而信号量会导致调用者进入睡眠状态，直到锁被释放。自旋锁适用于锁持有时间较短的情况，信号量则适用于锁持有时间较长的情况。 ##### Exercise2源代码阅读 **源代码解析** 为了更好地理解Nacho系统的同步机制，需要阅读`code/threads/synch.h`和`code/threads/synch.cpp`中的代码。这些文件定义了Nacho系统中的同步原语，包括信号量（Semaphore）、互斥锁（Mutex）、条件变量（ConditionVariable）等。通过分析这些代码，可以了解到这些同步原语的具体实现方式及其使用场景，从而更好地理解同步机制的工作原理。 1. **Semaphore**：信号量用于控制多个线程对共享资源的访问。它维护了一个内部计数器，线程可以通过调用`P`（也称为`Wait`或`Down`）和`V`（也称为`Signal`或`Up`）方法来获取和释放信号量。 2. **Mutex**：互斥锁用于确保在同一时刻只有一个线程能够访问特定的资源。线程在访问资源前必须先获取锁，完成后释放锁。互斥锁通常与条件变量一起使用，以实现更复杂的同步逻辑。 3. **ConditionVariable**：条件变量用于线程间的通信。一个线程可以等待一个特定的条件满足（如资源可用），另一个线程则可以通过改变条件并将等待的线程唤醒来进行通信。条件变量通常与互斥锁一起使用，以确保线程在等待条件时不会与其他线程产生冲突。 通过这些练习，学生不仅能够深入理解Linux和其他操作系统中的同步机制，还能够学会如何在自己的项目中正确地应用这些机制，以实现高效的并发控制。此外，这些知识对于未来的软件开发和系统设计工作都极为重要。