Lab7: Multithreading

本实验将使您熟悉多线程。您将在用户级线程包中实现线程之间的切换，使用多个线程来加速程序，并实现一个屏障。

[!WARNING|label:Attention] 在编写代码之前，您应该确保已经阅读了xv6手册中的“第7章: 调度”，并研究了相应的代码。

要启动实验，请切换到thread分支：

$ git fetch
$ git checkout thread
$ make clean

Uthread: switching between threads (moderate)

在本练习中，您将为用户级线程系统设计上下文切换机制，然后实现它。为了让您开始，您的xv6有两个文件：user/uthread.c和user/uthread_switch.S，以及一个规则：运行在Makefile中以构建uthread程序。uthread.c包含大多数用户级线程包，以及三个简单测试线程的代码。线程包缺少一些用于创建线程和在线程之间切换的代码。

[!TIP|label:YOUR JOB] 您的工作是提出一个创建线程和保存/恢复寄存器以在线程之间切换的计划，并实现该计划。完成后，make grade应该表明您的解决方案通过了uthread测试。

完成后，在xv6上运行uthread时应该会看到以下输出（三个线程可能以不同的顺序启动）：

$ make qemu
...
$ uthread
thread_a started
thread_b started
thread_c started
thread_c 0
thread_a 0
thread_b 0
thread_c 1
thread_a 1
thread_b 1
...
thread_c 99
thread_a 99
thread_b 99
thread_c: exit after 100
thread_a: exit after 100
thread_b: exit after 100
thread_schedule: no runnable threads
$

该输出来自三个测试线程，每个线程都有一个循环，该循环打印一行，然后将CPU让出给其他线程。

然而在此时还没有上下文切换的代码，您将看不到任何输出。

您需要将代码添加到user/uthread.c中的thread_create()和thread_schedule()，以及user/uthread_switch.S中的thread_switch。一个目标是确保当thread_schedule()第一次运行给定线程时，该线程在自己的栈上执行传递给thread_create()的函数。另一个目标是确保thread_switch保存被切换线程的寄存器，恢复切换到线程的寄存器，并返回到后一个线程指令中最后停止的点。您必须决定保存/恢复寄存器的位置；修改struct thread以保存寄存器是一个很好的计划。您需要在thread_schedule中添加对thread_switch的调用；您可以将需要的任何参数传递给thread_switch，但目的是将线程从t切换到next_thread。

提示：

• thread_switch只需要保存/还原被调用方保存的寄存器（callee-save register，参见LEC5使用的文档《Calling Convention》）。为什么？
• 您可以在user/uthread.asm中看到uthread的汇编代码，这对于调试可能很方便。
• 这可能对于测试你的代码很有用，使用riscv64-linux-gnu-gdb的单步调试通过你的thread_switch，你可以按这种方法开始：

(gdb) file user/_uthread
Reading symbols from user/_uthread...
(gdb) b uthread.c:60

这将在uthread.c的第60行设置断点。断点可能会（也可能不会）在运行uthread之前触发。为什么会出现这种情况？

一旦您的xv6 shell运行，键入“uthread”，gdb将在第60行停止。现在您可以键入如下命令来检查uthread的状态：

(gdb) p/x *next_thread

使用“x”，您可以检查内存位置的内容：

(gdb) x/x next_thread->stack

您可以跳到thread_switch 的开头，如下：

(gdb) b thread_switch

(gdb) c

您可以使用以下方法单步执行汇编指令：

(gdb) si

gdb的在线文档在这里。

Using threads (moderate)

在本作业中，您将探索使用哈希表的线程和锁的并行编程。您应该在具有多个内核的真实Linux或MacOS计算机（不是xv6，不是qemu）上执行此任务。最新的笔记本电脑都有多核处理器。

这个作业使用UNIX的pthread线程库。您可以使用man pthreads在手册页面上找到关于它的信息，您可以在web上查看，例如这里、这里和这里。

文件notxv6/ph.c包含一个简单的哈希表，如果单个线程使用，该哈希表是正确的，但是多个线程使用时，该哈希表是不正确的。在您的xv6主目录（可能是~/xv6-labs-2020）中，键入以下内容：

$ make ph
$ ./ph 1

请注意，要构建ph，Makefile使用操作系统的gcc，而不是6.S081的工具。ph的参数指定在哈希表上执行put和get操作的线程数。运行一段时间后，ph 1将产生与以下类似的输出：

100000 puts, 3.991 seconds, 25056 puts/second
0: 0 keys missing
100000 gets, 3.981 seconds, 25118 gets/second

您看到的数字可能与此示例输出的数字相差两倍或更多，这取决于您计算机的速度、是否有多个核心以及是否正在忙于做其他事情。

ph运行两个基准程序。首先，它通过调用put()将许多键添加到哈希表中，并以每秒为单位打印puts的接收速率。之后它使用get()从哈希表中获取键。它打印由于puts而应该在哈希表中但丢失的键的数量（在本例中为0），并以每秒为单位打印gets的接收数量。

通过给ph一个大于1的参数，可以告诉它同时从多个线程使用其哈希表。试试ph 2：

$ ./ph 2
100000 puts, 1.885 seconds, 53044 puts/second
1: 16579 keys missing
0: 16579 keys missing
200000 gets, 4.322 seconds, 46274 gets/second

这个ph 2输出的第一行表明，当两个线程同时向哈希表添加条目时，它们达到每秒53044次插入的总速率。这大约是运行ph 1的单线程速度的两倍。这是一个优秀的“并行加速”，大约达到了人们希望的2倍（即两倍数量的核心每单位时间产出两倍的工作）。

然而，声明16579 keys missing的两行表示散列表中本应存在的大量键不存在。也就是说，puts应该将这些键添加到哈希表中，但出现了一些问题。请看一下notxv6/ph.c，特别是put()和insert()。

[!TIP|label:YOUR JOB] 为什么两个线程都丢失了键，而不是一个线程？确定可能导致键丢失的具有2个线程的事件序列。在answers-thread.txt中提交您的序列和简短解释。

[!TIP] 为了避免这种事件序列，请在notxv6/ph.c中的put和get中插入lock和unlock语句，以便在两个线程中丢失的键数始终为0。相关的pthread调用包括：

• pthread_mutex_t lock; // declare a lock
• pthread_mutex_init(&lock, NULL); // initialize the lock
• pthread_mutex_lock(&lock); // acquire lock
• pthread_mutex_unlock(&lock); // release lock

当make grade说您的代码通过ph_safe测试时，您就完成了，该测试需要两个线程的键缺失数为0。在此时，ph_fast测试失败是正常的。

不要忘记调用pthread_mutex_init()。首先用1个线程测试代码，然后用2个线程测试代码。您主要需要测试：程序运行是否正确呢（即，您是否消除了丢失的键？）？与单线程版本相比，双线程版本是否实现了并行加速（即单位时间内的工作量更多）？

在某些情况下，并发put()在哈希表中读取或写入的内存中没有重叠，因此不需要锁来相互保护。您能否更改ph.c以利用这种情况为某些put()获得并行加速？提示：每个散列桶加一个锁怎么样？

[!TIP|label:YOUR JOB] 修改代码，使某些put操作在保持正确性的同时并行运行。当make grade说你的代码通过了ph_safe和ph_fast测试时，你就完成了。ph_fast测试要求两个线程每秒产生的put数至少是一个线程的1.25倍。

Barrier(moderate)

在本作业中，您将实现一个屏障)（Barrier）：应用程序中的一个点，所有参与的线程在此点上必须等待，直到所有其他参与线程也达到该点。您将使用pthread条件变量，这是一种序列协调技术，类似于xv6的sleep和wakeup。

您应该在真正的计算机（不是xv6，不是qemu）上完成此任务。

文件notxv6/barrier.c包含一个残缺的屏障实现。

$ make barrier
$ ./barrier 2
barrier: notxv6/barrier.c:42: thread: Assertion `i == t' failed.

2指定在屏障上同步的线程数（barrier.c中的nthread）。每个线程执行一个循环。在每次循环迭代中，线程都会调用barrier()，然后以随机微秒数休眠。如果一个线程在另一个线程到达屏障之前离开屏障将触发断言（assert）。期望的行为是每个线程在barrier()中阻塞，直到nthreads的所有线程都调用了barrier()。

[!TIP|label:YOUR JOB] 您的目标是实现期望的屏障行为。除了在ph作业中看到的lock原语外，还需要以下新的pthread原语；详情请看这里和这里。

• // 在cond上进入睡眠，释放锁mutex，在醒来时重新获取
• pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
• // 唤醒睡在cond的所有线程
• pthread_cond_broadcast(&cond);

确保您的方案通过make grade的barrier测试。

pthread_cond_wait在调用时释放mutex，并在返回前重新获取mutex。

我们已经为您提供了barrier_init()。您的工作是实现barrier()，这样panic就不会发生。我们为您定义了struct barrier；它的字段供您使用。

有两个问题使您的任务变得复杂：

• 你必须处理一系列的barrier调用，我们称每一连串的调用为一轮（round）。bstate.round记录当前轮数。每次当所有线程都到达屏障时，都应增加bstate.round。
• 您必须处理这样的情况：一个线程在其他线程退出barrier之前进入了下一轮循环。特别是，您在前后两轮中重复使用bstate.nthread变量。确保在前一轮仍在使用bstate.nthread时，离开barrier并循环运行的线程不会增加bstate.nthread。

使用一个、两个和两个以上的线程测试代码。