【MIT6.S081】Lab7: Multithreading(详细解答版)

实验内容网址：https://xv6.dgs.zone/labs/requirements/lab7.html

本实验的代码分支：https://gitee.com/dragonlalala/xv6-labs-2020/tree/thread2/

Uthread: switching between threads

关键点：线程切换、swtch

思路：

本实验完成的任务为用户级线程系统设计上下文切换机制。在进行本实验前需要仔细阅读11.3 XV6线程切换（一） | MIT6.S081和11.4 XV6线程切换（二） | MIT6.S081这两个文档。从一个线程切换到另一个线程需要保存旧线程的CPU寄存器，并恢复新线程先前保存的寄存器；栈指针和程序计数器被保存和恢复的事实意味着CPU将切换栈和执行中的代码。用户寄存器存在trapframe中，内核线程的寄存器存在context中。在本实验中需要保存和恢复的寄存器是位于context结构体中的寄存器。

为什么RISC-V中有32个寄存器，但是swtch函数中只保存并恢复了14个寄存器？

答：因为switch是按照一个普通函数来调用的，对于有些寄存器，swtch函数的调用者默认swtch函数会做修改，所以调用者已经在自己的栈上保存了这些寄存器，当函数返回时，这些寄存器会自动恢复。所以swtch函数里只需要保存Callee Saved Register就行。因为swtch函数是从C代码调用的，所以我们知道Caller Saved Register会被C编译器保存在当前的栈上。Caller Saved Register大概有15-18个，而我们在swtch函数中只需要处理C编译器不会保存，但是对于swtch函数又有用的一些寄存器。所以在切换线程的时候，我们只需要保存Callee Saved Register。

步骤&代码：

首先定义一个tcontext结构体，结构体的内容与内核中context结构体的内容相同，这里为什么不使用内核中已经定义好的context结构体？因为这是一个用户程序，不好使用内核使用的数据结构。 ra（Return Address）寄存器保存的是当前函数的返回地址,sp（stack pointer）寄存器表示栈顶指针。

struct tcontext {
   
  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 {
   
  char       stack[STACK_SIZE]; /* the thread's stack */
  int        state;             /* FREE, RUNNING, RUNNABLE */
  struct tcontext my_context;  // 线程切换时需要保存的寄存器
  
};

在线程建立时初始化ra和sp寄存器。将ra 寄存器赋值为func后，函数会跳转到func函数处去执行。sp寄存器赋值为线程的栈顶。不太懂这里为什么是+STACK_SIZE？

void 
thread_create(void (*func)())
{
   
  struct thread *t;

  for (t = all_thread; t < all_thread + MAX_THREAD; t++) {
   
    if (t->state == FREE) break;
  }
  t->state = RUNNABLE;
  // YOUR CODE HERE

  t->