Lab: Multithreading

Uthread: switching between threads

题目要求

在这个练习中你将为用户级线程系统设计并实现上下文切换机制。要做到这一点，xv6已经为你准备了 user/uthread.c 和 user/uthread_switch.S 这两个文件并已经在Makefile中为你添加了构建一个用户线程程序的规则。 uthread.c 内含了用户级线程的大部分包以及三个简单测试的代码，然而这些包缺失了用以创建和切换线程的代码。

<aside> 📄 你的任务是补全这些代码，使系统能够正常地创建线程以及在切换进程时保存和恢复寄存器内的数据。当你完成后， make grade 应指出你的解法通过了 uthread 测试。

</aside>

当你完成后，如果你在xv6中运行 uthread ，你应该能看到类似于下面的输出（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
$

输出来自于三个测试线程，每个线程中都有一个循环负责打印一行输出并将CPU让出给其他线程。当然了，现在你还没有补全必要的代码，你将看不到任何输出。

你将要在 user/uthread.c 中的 thread_create() 和 thread_schedule() 以及 user/uthread_switch.S 中的 thread_switch 内添加代码。其中一个目标是，当 thread_schedule() 第一次运行一个指定的线程时，该线程应在其独有的堆栈上运行传递给 thread_create() 的函数。另一个目标是确保 thread_switch 将被切换的线程的寄存器保存起来、将将要切换到的线程的寄存器数据恢复，且返回至后者被切换时的下一个指令。你将负责决定哪些寄存器应被保存；可以考虑将它们存放至 struct thread 中。你可能需要在 thread_schedule 中添加对 thread_switch 的调用——你可以传递你想要传递的任何参数，但我们的目的是从线程 t 切换至线程 next_thread 。

提示

thread_switch 只需要保存/恢复被调用者所保存的寄存器即可，为什么？
你可以在 user/uthread.asm 中看到 uthread 的汇编代码，这可能对你的调试有所帮助。
通过 riscv64-linux-gnu-gdb 对 thread_switch 进行逐步调试可能会对你的调试有所帮助，首先：
```
(gdb) file user/_uthread
Reading symbols from user/_uthread...
(gdb) b uthread.c:60
```
这段代码会在 uthread.c 的第60行设置一个断点。这个断点可能在你运行 uthread 之前就已经触发，这是为啥呢（我也不知道）？

一旦你的xv6 shell开始运行，输入 uthread ，gdb会在第60行中断。现在你可以输入下列指令来检测 uthread 的状态：
```
(gdb) p/x *next_thread
```
通过”x“，你可以查看一个内存位置
```
(gdb) x/x next_thread->stack
```
你可以通过下面的指令跳转至 thread_switch ：
```
(gdb) b thread_switch
(gdb) c
```
你可以通过这条指令对汇编指令进行单步执行：
```
(gdb) si
```

解法

在开始前，我建议你先按课程要求的那样，将xv6手册第七章的第四节前的内容以及相关文件读完，因为这次lab所需的所有代码其实在xv6内核的内核线程切换中已有所体现。

回到这次lab，正如我们所说的，这一题我们所需要的实现的线程切换机制其实已经在xv6中的 sched() 和 swtch 中被实现了，我们的用户级线程可以直接参考这些代码。

由于我们需要将被切换的线程的寄存器数据保存下来，所以我们首先解决这些寄存器的保存位置。要做到这一点，我们将这些寄存器内的值存储至一个 struct context 中，而后将其保存至 struct thread 中，具体哪些寄存器的值需要被存取，可以参考 swtch.S:swtch ：

struct context {
  uint64 ra;
  uint64 sp;

  // callee-saved
  uint64 s0;
  uint64 s1;
  uint64 s2;
  uint64 s3;
  uint64 s4;
  uint64 s5;
  uint64 s6;
  uint64 s7;
  uint64 s8;
  uint64 s9;
  uint64 s10;
  uint64 s11;
};
struct thread {
  struct context  context;           /* registers */
  char            stack[STACK_SIZE]; /* the thread's stack */
  int             state;             /* FREE, RUNNING, RUNNABLE */
  void            *func;             /* the function the thread is running */
};

与此同时，我们顺便将线程需要执行的函数地址也放到 struct thread 中，即 void *func。