Directory

Project 1

📂 threads/ : base kernel의 소스 코드

📂 devices/ : (키보드, 타이머, 디스크 등) I/O 장치 interfacing 을 위한 소스코드

• 이 중 timer 코드 수정 (그 외엔 이 코드들을 수정할 필요는 없음)

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기타

📂 include/ : 헤더파일들(.h) 의 소스코드

📂 include/lib/kernel/ : Pintos 커널에만 포함된 C 라이브러리의 일부

• bitmaps, doubly linked lists, hash tables 같은 자료형이 구현
• 커널에서 자유롭게 사용 가능 : #include <...> 표기법 사용

📂 include/lib/user/ : Pintos user programs 에서만 사용되는 C 라이브러리의 일부

• user programs에서, 이 디렉토리의 헤더들은 #include <...> 표기법으로 포함

📂 tests/ : 각 project 용 테스트들로, 결과물을 테스트해보기 편하도록 수정해 사용 가능

• ( 실제 테스트는 원래 버전으로 바꿔서 테스트 함 )

📂 examples/ : project 2 에서 사용할 user programs 용 예제들

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Building

📂 Makefile : pinots/src/Makefile.build 의 복사본으로, kernel을 빌드하는 방법을 설명

📂 kernel.o : 커널 전체을 위한 Object file

• 각각의 커널 소스 파일들에서 컴파일된 object 파일들을 하나의 object 파일로 링킹한 결과
• 디버그 정보를 갖고있고, 이 정보로 GDB나 Backtraces 를 실행

📂 kernel.bin : 커널의 메모리 이미지

• Pintos 커널을 돌리기위해 메모리에 로드되는 정확한 바이트들의 이미지
• kernel.o 에서 디버그 정보가 빠진 것
• 디버그 정보를 없애므로 많은 공간을 절약해서, 커널 loader의 설계에의해 부과된 512kB 사이즈 제한을 혹시라도 넘지않게 해줌

📂 loarder.bin : kernel loader의 메모리 이미지

• 커널을 메모리에서 disk로 읽고 시작시키는 어샘블리어 코드의 작은 chunck
• PC BIOS에 의해 정해진 사이즈인 딱 512 bytes 길이
• build 의 하위 디렉토리들은 컴파일러가 만든 object 파일들(.o)과 dependency 파일들(.d)을 포함
• dependency 파일들은 다른 소스나 헤더파일이 변경되면, make 한테 어떤 소스파일이 다시 컴파일되어야 하는지 알려줌

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Threads

struct thread

• threads/thread.h에 정의
• 스레드들을 위한 Pintos의 메인 자료구조
• 스레드, 또는 유저 프로세스를 의미

                      4 kB +---------------------------------+
                           |         kernel stack            |
                           |               |                 |
                           |               V                 |
                           |        grows downward           |
                           |                                 |
                           |                                 |
   sizeof (struct thread)  +---------------------------------+
                           |           * magic *             |
                           |          intr_frame             |
      struct thread; >>    |               :                 |
                           |             status              |
                           |              tid                |
                      0 kB +---------------------------------+ 

• 프로젝트 진행 중 struct thread(스레드 구조체)에 구현한 멤버를 추가하기

• 기존 멤버들의 정의를 수정/삭제 가능

• 각 스레드 메모리 페이지의 시작 부분을 차지

• 남은 페이지는 스레드의 스택으로 사용 (페이지 끝에서부터 아래 방향으로 증가)

• struct thread는 한 1 kB 미만으로 유지

  • 커널 스택을 위한 공간이 없어지는 것 방지

• 커널 함수들에서 큰 구조체, 배열은 동적 메모리 할당 → malloc(), palloc_get_page() 사용

  • non-static 지역변수로 할당 X
  • 스택 오버플로우로 스레드 상태 손상을 막기 위함

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1. tid

• tid : 스레드의 스레드식별자
• tid_t : int형 typedef

tid_t tid;

• 모든 스레드는, 커널이 돌아가는 내내 유일하게 유지되는 tid를 가지고 있음
• 새 스레드는 처음에 tid를 부여받음
• 1부터 시작해서 숫자상으로 다음 높은 값이 부여됨
• 원한다면 type이나 번호 매기기 체계를 수정 가능

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2. thread_status

enum thread_status status;

• THREAD_RUNNING : 스레드가 실행 중인 상태

  • 주어진 시간에 정확히 한개의 스레드가 실행
    thread_current()함수 : 실행중인 스레드를 반환

• THREAD_READY : 스레드가 실행할 준비는 되었으나, 아직 실행되지는 않은 상태

  • 스레드는 스케쥴러가 호출되었을 때 다음에 실행하도록 선택될 수 있다.
    준비된 스레드들은 ready_list라는 doubly-linked-list에 저장된다.
    

• THREAD_BLOCKED : 스레드가 뭔가를 기다리고 있는 상태

  • ex) 다시 사용가능하도록 하기 위해 락 되었거나, 호출되기 위해 인터럽트 된 것

  • 스레드는 thread_unblock()호출에 의해 THREAD_READY 상태로 바뀌기 전까지는 스케쥴되지 않을 것이다. 이는 블록과 언블록을 자동으로 해주는 Pintos 동기화 기본 요소 중 하나를 쓰면 간접적으로 가장 편하게 완료될 수 있다.(동기화를 참조)
    블록된 스레드가 뭘 기다리고 있는지는 당장은 알 방법이 없지만, 백트레이스가 도움이 될 것이다 (백트레이스 참조)
    

• THREAD_DYING : 다음 스레드로 전환된 이후, 스케쥴러에 의해 없어질 예정인 상태다

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3. name

문자열 형식의 스레드 이름
(만약 스레드 이름이 너무 길면) 최소한 이름 앞쪽의 몇 글자들

char name[16];

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4. intr_frame

컨텍스트 스위칭을 위한 정보를 담는 구조체
레지스터 와 스택 포인터 를 포함

struct intr_frame tf;

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5. priority

PRI_MIN (0) 에서 PRI_MAX (63) 사이 범위에 있는 스레드 우선순위

int priority;

• 숫자가 작으면 낮은 우선순위를 가짐

  • 가장 낮은/높은 우선순위 = 0번 / 63번

• 이 Pintos에서는 스레드 우선순위를 무시하겠지만, project 1에서 우선순위 스케쥴링을 구현하게 될 것이다 (우선순위 스케쥴링 참조)

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6. list_elem

스레드를 doubly-linked-list에 담을때 쓰는 리스트 요소

struct list_elem elem;

• ready_list 와 sema_down()의 세마포어에 대기중인 스레드들의 리스트에서 모두 쓰임

• thread의 elem 멤버변수는 두가지 목적으로 사용 가능

  1. thread.c 의 run 큐의 원소

  2. synch.c 의 semaphore 대기 리스트의 원소

  • 이 두 목적은 상호배타적이다. 왜냐하면 !
    : ready 상태의 쓰레드만 run 큐에 있을 수 있고,
    blocked (준비X) 상태의 큐만 대기 리스트에 있을 수 있으므로

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7. magic

threads/thread.c에 정의된 임의의 숫자 THREAD_MAGIC으로 항상 설정되어 있으며, 스택 오버플로우를 탐지하기 위해 쓰임

unsigned magic

• thread_current()

  • 실행중인 스레드 struct thread의 magic 멤버가 THREAD_MAGIC으로 설정되어 있는지를 검사

• 스택 오버플로우는 이 값을 바꿔서 assertion을 발생시키는 경향이 있음

• 스택 오버플로우는 magic 의 값을 바꿔 assertion 발생시킴

• 최상의 이익을 위해서, struct thread에 멤버를 추가할 때 magic을 끝에 남기기

                      4 kB +---------------------------------+
                           |         kernel stack            |
                           |               |                 |
                           |               V                 |
                           |        grows downward           |
                           |                                 |
                           |                                 |
    sizeof (struct thread) +---------  * magic * ------------+ stack overflow!!
                           |          intr_frame             | 
                           |               :                 |
                           |             status              |
                           |              tid                |
                      0 kB +---------------------------------+

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8. pml4

Project 2 이후에 쓰임 (페이지 테이블 참조)

uint64_t *pml4;

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Thread Functions

1. thread_init

• 스레드 시스템을 시작하기 위해서 main() 으로부터 호출
• Pintos의 초기 스레드를 위한 struct thread를 생성

void thread_init (void);

• 이는 Pintos 로더가 초기 스레드의 스택을 다른 Pintos 스레드와 마찬가지로 페이지의 꼭대기 부분에 놓기 때문에 가능

• thread_init()이 실행되기 전에는 thread_current()는 실패

  • 실행되고 있는 스레드의 magic 값이 올바르지 않기 때문

• Pintos 초기화과정에서 이른 시기에 호출되어야 함

  • lock_acquire() 같은 수많은 함수들이 thread_current() 를 직접 혹은 간접적으로 호출하기 때문

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2. thread_start

스케쥴러를 시작시키기 위해 main() 으로부터 호출

void thread_start (void);

• 준비된 다른 스레드가 없을 때 스케쥴되는 스레드인 유휴 스레드(Idle thread)를 만든다

• 스케쥴러가 활성화되도록 하는 side effect가 있는 인터럽트를 활성화 함

  • intr_yield_on_return()를 사용해서 타이머 인터럽트가 반환되면 스케쥴러가 실행되기 때문에 인터럽트를 활성화하는 것이다.

    🤔❓유휴 스레드(Idle Thread):

    • 시스템이 아무런 작업을 수행하지 않을 때 실행되는 특별한 스레드
      시스템이 놀고 있을 때 CPU를 점유하지 않고 대기하며, 시스템의 자원을 효율적으로 활용하기 위해 존재

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3. thread_tick

각 타이머 tick에서 발생하는 타이머 인터럽트로부터 호출

void thread_tick (void);

• 현재 실행 중인 스레드의 실행 시간을 측정하고, 실행 시간이 다 되면 다른 스레드로 CPU를 전환하는 역할
• 스레드 통계를 추적하고, 타임 슬라이스가 만료될 때 스케쥴러를 작동시킴

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4. thread_print_stats

Pintos가 종료될 때 스레드 통계를 출력하기 위해 호출

void thread_print_stats (void);

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5. thread_create

새 스레드를 생성하고 tid를 반환

tid_t thread_create (const char *name, int priority, thread func *func, void *aux);

• 새 스레드의 이름 = name, 우선순위 =priority

• 단일 인자로 aux를 전달하면서 func를 실행

• 스레드의 struct thread 와 스택을 위해 페이지를 할당하고 그 멤버들을 초기화

  • 가짜 스택 프레임을 만든다
    : 스레드의 초기 실행을 지원, 실제로는 스레드가 본격적으로 함수를 호출하기 전에 임시로 필요

  • 스레드는 블록된 상태로 초기화되고, 새로운 스레드가 스케쥴 될 수 있도록 하기 위해서 반환되기 직전에 언블록 됨
    (= 스케줄러에게 실행을 요청하는 상태로 전환)

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6. thread_func

thread_create() 로 전달되는 함수 타입
aux 인자도 이 함수의 인자로써 같이 전달됨

void thread_func (void *aux);

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7.thread_block

실행되고 있는 스레드를 실행 상태에서 블록 상태로 전환

void thread_block (void);

• thread_unblock()이 호출되기 전까지는 다시 동작하지 않고, thread_block()이 너무 로우-레벨이기 때문에, 이 함수 대신 동기화 기초요소 중 하나를 쓰기 ex) semaphore..).

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8. thread_unblock

블록된 상태의 스레드를 THREAD_READY로 전환 (=다시 실행되도록 허가)

void thread_unblock (struct thread *thread);

• 스레드가 기다리던 이벤트가 발생했을 때 호출된다.
  ex)스레드가 대기하고 있던 락이 사용가능하게 될 때

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9. thread_current

현재 실행중인 스레드를 반환한

struct thread *thread_current (void);

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10. thread_tid

현재 실행중인 스레드의 tid를 반환
thread_current() -> tid 와 같음

tid_t thread_tid (void);

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11. thread_name

현재 실행중인 스레드의 name을 반환
thread_current () ->name 과 같음

const char *thread_name (void);

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12. thread_exit

현재 스레드가 종료되도록 함 (반환 X)

void thread_exit (void) NO_RETURN;

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13. thread_yield

실행할 새 스레드를 선택하는 스케쥴러에게 CPU를 제공

void thread_yield (void);

• 새 스레드가 현재 스레드일수도 있기 때문에, 어떤 특정 시간 동안 스레드 실행상태를 유지하려 할 때, 이 함수에 의존해선 안됨

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14. thread_get_priority / thread_set_priority

스레드 우선 순위를 설정하고 가져오는 토막(stub)이다. 우선순위 스케쥴링을 참조하라

int thread_get_priority (void);
void thread_set_priority (int new_priority);

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15. 고급 스케쥴러를 위한 토막들(stubs)

고급 스케쥴러를 위한 토막들(stubs)

int thread_get_nice (void);
void thread_set_nice (int new_nice);
int thread_get_recent_cpu (void);
int thread_get_load_avg (void);