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OS2023(5)

5. 多处理器编程：从入门到放弃

Changelog & 反馈

• 翻车的 sum.py: 漏了 store 之后的 sys_sched()，这样 store-load 就总是原子执行
  • 并发：总是相信自己错了
• 想起了相机有曝光补偿，不用后期折腾了
• Clarification: 网页上的状态机仅是 “一次执行”， 请下载 mosaic.py 运行

背景回顾：“操作系统玩具” 给出了理解操作系统的新视角：操作系统是状态机的管理者。因为在 sys_sched() 之后操作系统拥有随机选择状态机执行的权力，因此也带来了并发性。操作系统是世界上最早的并发程序。

本讲内容：多处理器编程：从入门到放弃：

• 入门：多线程编程库
• 放弃：原子性、可见性、顺序

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model('m/print.py', check=True)

 1def Tprint(name):
 2  sys_write(f'{name}')
 3
 4def main():
 5  for name in 'AB':
 6    sys_spawn(Tprint, name)
 7
 8# Outputs:
 9# AB
10# BA

demo('hello', 'c/hello.c', libs=['thread.h'])

demo('stack-probe', 'c/stack-probe.c', libs=['thread.h'])

slideshow('5.2')

demo('alipay', 'c/alipay.c', libs=['thread.h'])

demo('sum', 'c/sum.c', libs=['thread.h'])

slideshow('5.3')

demo('sum-opt', 'c/sum.c', libs=['thread.h'])

slideshow('5.4')

model('m/store-load.py', check=True)

 1def T1():
 2  heap.x = 1
 3  sys_sched()
 4  sys_write(heap.y)
 5
 6def T2():
 7  heap.y = 1
 8  sys_sched()
 9  sys_write(heap.x)
10
11def main():
12  heap.x, heap.y = 0, 0
13  sys_spawn(T1)
14  sys_spawn(T2)
15
16# Outputs:
17# 01
18# 11

demo('store-load', 'c/store-load.c', libs=['thread.h'])

Take-away Messages

在一个简化的模型中，多线程/多进程程序就是 “状态机的集合”，每一步选一个状态机执行一步。然而，真实的系统可能带来一些复杂性：

• 指令/代码执行原子性假设不再成立
• 程序的顺序执行假设不再成立
• 多处理器间内存访问无法即时可见

然而，人类本质上是物理世界 (宏观时间) 中的 “sequential creature”，因此我们在编程时，也 “只能” 习惯单线程的顺序/选择/循环结构，真实多处理器上的并发编程是非常具有挑战性的 “底层技术”，例如 Ad hoc synchronization 引发了很多系统软件中的 bugs。因此，我们需要并发控制技术 (之后的课程涉及)，使得程序能在不共享内存的时候并行执行，并且在需要共享内存时的行为能够 “容易理解”。

课后习题/编程作业

1. 阅读材料

教科书 Operating Systems: Three Easy Pieces:

• 第 25 章 - Dialogue on Concurrency
• 第 26 章 - Concurrency and Threads
• 第 27 章 - Thread API

注意：我们的课程和教科书有较大的重叠，但教科书提供了许多授课时间比较难以花时间讲清楚的细节，因此仔细阅读教科书同样重要。

2. 编程实践

在你的 Linux 中运行课堂上的代码示例。同学们也可以打开 thread.h：它使用起来很简单 (直接创建线程即可)，但实现也很有趣。例如，pthreads 线程接受一个 void * 类型的参数，且必须返回一个 void *。我们用 wrapper function 的方法解决这个问题：所有的线程的实际入口都是名为 wrapper 的函数，它会在内部调用线程的 entry 函数。

void *wrapper(void *arg) {
  struct thread *thread = (struct thread *)arg;
  thread->entry(thread->id);
  return NULL;
}

此外，代码中还有一些可以学习的编程技巧，例如 ctor 和 dtor 等。

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