Nachos操作系统内核与线程管理实验手册

"山东大学Nachos实验指导书，主要涵盖了操作系统课程设计，详细讲解了Nachos系统实现的内核线程管理、线程通信以及内存管理等关键知识点。" 操作系统课程设计是计算机科学教育的重要组成部分，而Nachos是一个开源的教学操作系统，旨在帮助学生理解操作系统的基本原理和实现。本实验指导书由张鸿烈编著，旨在引导山东大学大三学生深入学习操作系统内核的构建。 1. 内核线程管理 - 进程-Process：在操作系统中，进程是资源分配的基本单位，它包含了一个或多个线程。 - 线程-Thread：线程是执行的基本单元，比进程更轻量级，同一进程内的线程可以共享进程资源。 - 线程控制块(TCB)：每个线程都有一个TCB，存储线程的状态信息。 - 线程状态转换：包括新建、就绪、运行、阻塞和结束等状态，通过特定的控制原语进行转换。 - 线程调度：根据一定的策略选择下一个运行的线程，如轮转法、优先级调度等。 - 上下文切换：当一个线程被抢占或主动让出CPU时，保存当前状态并恢复另一个线程的状态，这一过程称为上下文切换。 - 线程的终止：线程完成任务或者因异常退出时，需要进行清理工作。 - Nachos基本内核的工作过程：涉及线程创建、调度、通信及销毁等操作。 2. 内核线程通信设计 - 进程同步synchronization：确保多个线程在正确的时间顺序执行，避免数据竞争和死锁。 - 临界区问题：多个线程访问共享资源时，需要确保只有一个线程在临界区内执行。 - 信号量Semaphore：一种同步工具，用于控制对临界区的访问。 - 信号量的应用：例如，可以用来解决生产者-消费者问题、读者-写者问题等。 - 锁Lock：简单形式的同步原语，用于实现互斥访问。 - 管程Monitor：提供更高层次的同步机制，包含互斥、条件变量等功能。 - 互斥执行：确保同一时间只有一个线程执行特定代码段。 - 条件变量Condition Variables：允许线程等待特定条件满足后再继续执行。 - Nachos中条件变量和管程的实现：详细介绍了在Nachos操作系统中如何实现这些同步机制。 3. 操作系统内存管理设计 - 从程序空间到物理空间：虚拟地址到物理地址的映射，包括分页和分段技术。 - 内存管理机制：探讨了如何分配、回收和保护内存，以及处理内存碎片等问题。 - MIPS模拟机：Nachos基于MIPS架构，理解其指令集和内存模型对于内存管理至关重要。 - MIPS指令的解释执行：解释如何在Nachos中实现对MIPS指令的模拟和执行。 实验部分详细说明了如何在Nachos上进行实际操作，包括安装环境、编写和调试代码、使用Makefile管理项目，以及如何利用信号量和管程解决同步问题。通过这些实验，学生将能深入理解操作系统的核心概念，并具备动手实现的能力。