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[pintos-anon] / doc / threads.texi
1 @node Project 1--Threads, Project 2--User Programs, Introduction, Top
2 @chapter Project 1: Threads
3
4 In this assignment, we give you a minimally functional thread system.
5 Your job is to extend the functionality of this system to gain a
6 better understanding of synchronization problems. Additionally, you
7 will use at least part of this increased functionality in future
8 assignments.
9
10 You will be working in primarily in the @file{threads} directory for
11 this assignment, with some work in the @file{devices} directory on the
12 side.  Compilation should be done in the @file{threads} directory.
13
14 @menu
15 * Understanding Threads::       
16 * Project 1 Code::              
17 * Debugging versus Testing::    
18 * Tips::                        
19 * Problem 1-1 Alarm Clock::     
20 * Problem 1-2 Join::            
21 * Problem 1-3 Priority Scheduling::  
22 * Problem 1-4 Advanced Scheduler::  
23 * Threads FAQ::                 
24 @end menu
25
26 @node Understanding Threads
27 @section Understanding Threads
28
29 The first step is to read and understand the initial thread system.
30 Pintos, by default, implements thread creation and thread completion,
31 a simple scheduler to switch between threads, and synchronization
32 primitives (semaphores, locks, and condition variables). 
33
34 However, there's a lot of magic going on in some of this code, so if
35 you haven't already compiled and run the base system, as described in
36 the introduction (@pxref{Introduction}), you should do so now.  You
37 can read through parts of the source code by hand to see what's going
38 on.  If you like, you can add calls to @code{printf()} almost
39 anywhere, then recompile and run to see what happens and in what
40 order.  You can also run the kernel in a debugger and set breakpoints
41 at interesting spots, single-step through code and examine data, and
42 so on.  @xref{i386-elf-gdb}, for more information.
43
44 When a thread is created, you are creating a new context to be
45 scheduled. You provide a function to be run in this context as an
46 argument to @code{thread_create()}. The first time the thread is
47 scheduled and runs, it will start from the beginning of that function
48 and execute it in the context. When that function returns, that thread
49 completes. Each thread, therefore, acts like a mini-program running
50 inside Pintos, with the function passed to @code{thread_create()}
51 acting like @code{main()}.
52
53 At any given time, Pintos is running exactly one thread, with the
54 others switched out.  The scheduler decides which thread to run next
55 when it needs to switch between them.  (If no thread is ready to run
56 at any given time, then the special ``idle'' thread runs.)  The
57 synchronization primitives are used to force context switches when one
58 thread needs to wait for another thread to do something.
59
60 The exact mechanics of a context switch are pretty gruesome and have
61 been provided for you in @file{threads/switch.S} (this is 80@var{x}86
62 assembly; don't worry about understanding it).  It involves saving the
63 state of the currently running thread and restoring the state of the
64 thread we're switching to.
65
66 Using the @command{gdb} debugger, slowly trace through a context
67 switch to see what happens (@pxref{i386-elf-gdb}).  You can set a
68 breakpoint on the @code{schedule()} function to start out, and then
69 single-step from there.  Be sure to keep track of each thread's
70 address and state, and what procedures are on the call stack for each
71 thread.  You will notice that when one thread calls
72 @code{switch_threads()}, another thread starts running, and the first
73 thing the new thread does is to return from
74 @code{switch_threads()}.  We realize this comment will seem cryptic to
75 you at this point, but you will understand threads once you understand
76 why the @code{switch_threads()} that gets called is different from the
77 @code{switch_threads()} that returns.
78
79 @strong{Warning}: In Pintos, each thread is assigned a small,
80 fixed-size execution stack just under @w{4 kB} in size.  The kernel
81 does try to detect stack overflow, but it cannot always succeed.  You
82 ma cause bizarre problems, such as mysterious kernel panics, if you
83 declare large data structures as non-static local variables,
84 e.g. @samp{int buf[1000];}.  Alternatives to stack allocation include
85 the page allocator in @file{threads/palloc.c} and the block allocator
86 in @file{threads/malloc.c}.  Note that the page allocator doles out
87 @w{4 kB} chunks and that @code{malloc()} has a @w{2 kB} block size
88 limit.  If you need larger chunks, consider using a linked structure
89 instead.
90
91 @node Project 1 Code
92 @section Code
93
94 Here is a brief overview of the files in the @file{threads}
95 directory.  You will not need to modify most of this code, but the
96 hope is that presenting this overview will give you a start on what
97 code to look at.
98
99 @table @file
100 @item loader.S
101 @itemx loader.h
102 The kernel loader.  Assembles to 512 bytes of code and data that the
103 PC BIOS loads into memory and which in turn loads the kernel into
104 memory, does basic processor initialization, and jumps to the
105 beginning of the kernel.  You should not need to look at this code or
106 modify it.
107
108 @item kernel.lds.S
109 The linker script used to link the kernel.  Sets the load address of
110 the kernel and arranges for @file{start.S} to be at the very beginning
111 of the kernel image.  Again, you should not need to look at this code
112 or modify it, but it's here in case you're curious.
113
114 @item start.S
115 Jumps to @code{main()}.
116
117 @item init.c
118 @itemx init.h
119 Kernel initialization, including @code{main()}, the kernel's ``main
120 program.''  You should look over @code{main()} at least to see what
121 gets initialized.
122
123 @item thread.c
124 @itemx thread.h
125 Basic thread support.  Much of your work will take place in these
126 files.  @file{thread.h} defines @code{struct thread}, which you will
127 modify in the first three projects.
128
129 @item switch.S
130 @itemx switch.h
131 Assembly language routine for switching threads.  Already discussed
132 above.
133
134 @item palloc.c
135 @itemx palloc.h
136 Page allocator, which hands out system memory in multiples of 4 kB
137 pages.
138
139 @item malloc.c
140 @itemx malloc.h
141 A very simple implementation of @code{malloc()} and @code{free()} for
142 the kernel.
143
144 @item interrupt.c
145 @itemx interrupt.h
146 Basic interrupt handling and functions for turning interrupts on and
147 off.
148
149 @item intr-stubs.pl
150 @itemx intr-stubs.h
151 A Perl program that outputs assembly for low-level interrupt handling.
152
153 @item synch.c
154 @itemx synch.h
155 Basic synchronization primitives: semaphores, locks, and condition
156 variables.  You will need to use these for synchronization through all
157 four projects.
158
159 @item test.c
160 @itemx test.h
161 Test code.  For project 1, you will replace this file with your test
162 cases.
163
164 @item io.h
165 Functions for I/O port access.  This is mostly used by source code in
166 the @file{devices} directory that you won't have to touch.
167
168 @item mmu.h
169 Functions and macros related to memory management, including page
170 directories and page tables.  This will be more important to you in
171 project 3.  For now, you can ignore it.
172 @end table
173
174 @menu
175 * devices code::                
176 * lib files::                   
177 @end menu
178
179 @node devices code
180 @subsection @file{devices} code
181
182 The basic threaded kernel also includes these files in the
183 @file{devices} directory:
184
185 @table @file
186 @item timer.c
187 @itemx timer.h
188 System timer that ticks, by default, 100 times per second.  You will
189 modify this code in Problem 1-1.
190
191 @item vga.c
192 @itemx vga.h
193 VGA display driver.  Responsible for writing text to the screen.
194 You should have no need to look at this code.  @code{printf()} will
195 call into the VGA display driver for you, so there's little reason to
196 call this code yourself.
197
198 @item serial.c
199 @itemx serial.h
200 Serial port driver.  Again, @code{printf()} calls this code for you,
201 so you don't need to do so yourself.  Feel free to look through it if
202 you're curious.
203
204 @item disk.c
205 @itemx disk.h
206 Supports reading and writing sectors on up to 4 IDE disks.  This won't
207 actually be used until project 2.
208
209 @item intq.c
210 @itemx intq.h
211 Interrupt queue, for managing a circular queue that both kernel
212 threads and interrupt handlers want to access.  Used by the keyboard
213 and serial drivers.
214 @end table
215
216 @node lib files
217 @subsection @file{lib} files
218
219 Finally, @file{lib} and @file{lib/kernel} contain useful library
220 routines.  (@file{lib/user} will be used by user programs, starting in
221 project 2, but it is not part of the kernel.)  Here's a few more
222 details:
223
224 @table @file
225 @item ctype.h
226 @itemx inttypes.h
227 @itemx limits.h
228 @itemx stdarg.h
229 @itemx stdbool.h
230 @itemx stddef.h
231 @itemx stdint.h
232 @itemx stdio.c
233 @itemx stdio.h
234 @itemx stdlib.c
235 @itemx stdlib.h
236 @itemx string.c
237 @itemx string.h
238 Implementation of the standard C library.  @xref{C99}, for information
239 on a few recently introduced pieces of the C library that you might
240 not have encountered before.  @xref{Unsafe String Functions}, for
241 information on what's been intentionally left out for safety.
242
243 @item debug.c
244 @itemx debug.h
245 Functions and macros to aid debugging.  @xref{Debugging Tools}, for
246 more information.
247
248 @item random.c
249 @itemx random.h
250 Pseudo-random number generator.
251
252 @item round.h
253 Macros for rounding.
254
255 @item syscall-nr.h
256 System call numbers.  Not used until project 2.
257
258 @item kernel/list.c
259 @itemx kernel/list.h
260 Doubly linked list implementation.  Used all over the Pintos code, and
261 you'll probably want to use it a few places yourself in project 1.
262
263 @item kernel/bitmap.c
264 @itemx kernel/bitmap.h
265 Bitmap implementation.  You can use this in your code if you like, but
266 you probably won't have any need for project 1.
267
268 @item kernel/hash.c
269 @itemx kernel/hash.h
270 Hash table implementation.  Likely to come in handy for project 3.
271
272 @item kernel/console.c
273 @itemx kernel/console.h
274 Implements @code{printf()} and a few other functions.
275 @end table
276
277 @node Debugging versus Testing
278 @section Debugging versus Testing
279
280 When you're debugging code, it's useful to be able to be able to run a
281 program twice and have it do exactly the same thing.  On second and
282 later runs, you can make new observations without having to discard or
283 verify your old observations.  This property is called
284 ``reproducibility.''  The simulator we use, Bochs, can be set up for
285 reproducibility.  If you use the Bochs configuration files we provide,
286 which specify @samp{ips: @var{n}} where @var{n} is a number of
287 simulated instructions per second, your simulations can be
288 reproducible.
289
290 Of course, a simulation can only be reproducible from one run to the
291 next if its input is the same each time.  For simulating an entire
292 computer, as we do, this means that every part of the computer must be
293 the same.  For example, you must use the same disks, the same version
294 of Bochs, and you must not hit any keys on the keyboard (because you
295 could not be sure to hit them at exactly the same point each time)
296 during the runs.
297
298 While reproducibility is useful for debugging, it is a problem for
299 testing thread synchronization, an important part of this project.  In
300 particular, when Bochs is set up for reproducibility, timer interrupts
301 will come at perfectly reproducible points, and therefore so will
302 thread switches.  That means that running the same test several times
303 doesn't give you any greater confidence in your code's correctness
304 than does running it only once.
305
306 So, to make your code easier to test, we've added a feature to Bochs
307 that makes timer interrupts come at random intervals, but in a
308 perfectly predictable way.  In particular, if you invoke
309 @command{pintos} with the option @option{-j @var{seed}}, timer
310 interrupts will come at irregularly spaced intervals.  Within a single
311 @var{seed} value, execution will still be reproducible, but timer
312 behavior will change as @var{seed} is varied.  Thus, for the highest
313 degree of confidence you should test your code with many seed values.
314
315 @node Tips
316 @section Tips
317
318 There should be no busy-waiting in any of your solutions to this
319 assignment.  Furthermore, resist the temptation to directly disable
320 interrupts in your solution by calling @code{intr_disable()} or
321 @code{intr_set_level()}, although you may find doing so to be useful
322 while debugging.  Instead, use semaphores, locks and condition
323 variables to solve synchronization problems.  Hint: read the comments
324 in @file{threads/synch.h} if you're unsure what synchronization
325 primitives may be used in what situations.
326
327 Given some designs of some problems, there may be one or two instances
328 in which it is appropriate to directly change the interrupt levels
329 instead of relying on the given synchroniztion primitives.  This must
330 be justified in your @file{DESIGNDOC} file.  If you're not sure you're
331 justified, ask!
332
333 While all parts of this assignment are required if you intend to earn
334 full credit on this project, keep in mind that Problem 1-2 (Join) will
335 be needed for future assignments, so you'll want to get this one
336 right.  We don't give out solutions, so you're stuck with your Join
337 code for the whole quarter.  Problem 1-1 (Alarm Clock) could be very
338 handy, but not strictly required in the future.  The upshot of all
339 this is that you should focus heavily on making sure that your
340 implementation of @code{thread_join()} works correctly, since if it's
341 broken, you will need to fix it for future assignments.  The other
342 parts can be turned off in the future if you find you can't make them
343 work quite right.
344
345 Also keep in mind that Problem 1-4 (the MLFQS) builds on the features you
346 implement in Problem 1-3, so to avoid unnecessary code duplication, it
347 would be a good idea to divide up the work among your team members
348 such that you have Problem 1-3 fully working before you begin to tackle
349 Problem 1-4.
350
351 @node Problem 1-1 Alarm Clock
352 @section Problem 1-1: Alarm Clock
353
354 Improve the implementation of the timer device defined in
355 @file{devices/timer.c} by reimplementing @code{timer_sleep()}.
356 Threads call @code{timer_sleep(@var{x})} to suspend execution until
357 time has advanced by at least @w{@var{x} timer ticks}.  This is
358 useful for threads that operate in real-time, for example, for
359 blinking the cursor once per second.  There is no requirement that
360 threads start running immediately after waking up; just put them on
361 the ready queue after they have waited for approximately the right
362 amount of time.
363
364 A working implementation of this function is provided.  However, the
365 version provided is poor, because it ``busy waits,'' that is, it spins
366 in a tight loop checking the current time until the current time has
367 advanced far enough.  This is undesirable because it wastes time that
368 could potentially be used more profitably by another thread.  Your
369 solution should not busy wait.
370
371 The argument to @code{timer_sleep()} is expressed in timer ticks, not
372 in milliseconds or some other unit.
373
374 @node Problem 1-2 Join
375 @section Problem 1-2: Join
376
377 Implement @code{thread_join(tid_t)} in @file{threads/thread.c}.  There
378 is already a prototype for it in @file{threads/thread.h}, which you
379 should not change.  This function causes the currently running thread
380 to block until the thread whose thread id is passed as an argument
381 exits.  If A is the running thread and B is the argument, then we say
382 that ``A joins B'' in this case.
383
384 Incidentally, we don't use @code{struct thread *} as
385 @file{thread_join()}'s parameter type because a thread pointer is not
386 unique over time.  That is, when a thread dies, its memory may be,
387 whether immediately or much later, reused for another thread.  If
388 thread A over time had two children B and C that were stored at the
389 same address, then @code{thread_join(@r{B})} and
390 @code{thread_join(@r{C})} would be ambiguous.  Introducing a thread id
391 or @dfn{tid}, represented by type @code{tid_t}, that is intentionally
392 unique over time solves the problem.  The provided code uses an
393 @code{int} for @code{tid_t}, but you may decide you prefer to use some
394 other type.
395
396 The model for @code{thread_join()} is the @command{wait} system call
397 in Unix-like systems.  (Try reading the manpages.)  That system call
398 can only be used by a parent process to wait for a child's death.  You
399 should implement @code{thread_join()} to have the same restriction.
400 That is, a thread may only join its immediate children.
401
402 A thread need not ever be joined.  Your solution should properly free
403 all of a thread's resources, including its @code{struct thread},
404 whether it is ever joined or not, and regardless of whether the child
405 exits before or after its parent.  That is, a thread should be freed
406 exactly once in all cases.
407
408 Joining a given thread is idempotent.  That is, joining a thread T
409 multiple times is equivalent to joining it once, because T has already
410 exited at the time of the later joins.  Thus, joins on T after the
411 first should return immediately.
412
413 Calling @code{thread_join()} on an thread that is not the caller's
414 child should cause the caller to return immediately.
415
416 Consider all the ways a join can occur: nested joins (A joins B when B
417 is joined on C), multiple joins (A joins B, then A joins C), and so
418 on.  Does your join work if @code{thread_join()} is called on a thread
419 that has not yet been scheduled for the first time?  You should handle
420 all of these cases.  Write test code that demonstrates the cases your
421 join works for.  Don't overdo the output volume, please!
422
423 Be careful to program this function correctly.  You will need its
424 functionality for project 2.
425
426 Once you've implemented @code{thread_join()}, define
427 @code{THREAD_JOIN_IMPLEMENTED} in @file{constants.h}.
428 @xref{Conditional Compilation}, for more information.
429
430 @node Problem 1-3 Priority Scheduling
431 @section Problem 1-3: Priority Scheduling
432
433 Implement priority scheduling in Pintos.  Priority scheduling is a key
434 building block for real-time systems.  Implement functions
435 @code{thread_set_priority()} to set the priority of the running thread
436 and @code{thread_get_priority()} to get the running thread's priority.
437 (A thread can examine and modify only its own priority.)  There are
438 already prototypes for these functions in @file{threads/thread.h},
439 which you should not change.
440
441 Thread priority ranges from @code{PRI_MIN} (0) to @code{PRI_MAX} (59).
442 The initial thread priority is passed as an argument to
443 @code{thread_create()}.  If there's no reason to choose another
444 priority, use @code{PRI_DEFAULT} (29).  The @code{PRI_} macros are
445 defined in @file{threads/thread.h}, and you should not change their
446 values.
447
448 When a thread is added to the ready list that has a higher priority
449 than the currently running thread, the current thread should
450 immediately yield the processor to the new thread.  Similarly, when
451 threads are waiting for a lock, semaphore or condition variable, the
452 highest priority waiting thread should be woken up first.  A thread's
453 priority may be set at any time, including while the thread is waiting
454 on a lock, semaphore, or condition variable.
455
456 One issue with priority scheduling is ``priority inversion'': if a
457 high priority thread needs to wait for a low priority thread (for
458 instance, for a lock held by a low priority thread, or in
459 @code{thread_join()} for a thread to complete), and a middle priority
460 thread is on the ready list, then the high priority thread will never
461 get the CPU because the low priority thread will not get any CPU time.
462 A partial fix for this problem is to have the waiting thread
463 ``donate'' its priority to the low priority thread while it is holding
464 the lock, then recall the donation once it has acquired the lock.
465 Implement this fix.
466
467 You will need to account for all different orders that priority
468 donation and inversion can occur.  Be sure to handle multiple
469 donations, in which multiple priorities are donated to a thread.  You
470 must also handle nested donation: given high, medium, and low priority
471 threads H, M, and L, respectively, if H is waiting on a lock that M
472 holds and M is waiting on a lock that L holds, then both M and L
473 should be boosted to H's priority.
474
475 You only need to implement priority donation when a thread is waiting
476 for a lock held by a lower-priority thread.  You do not need to
477 implement this fix for semaphores, condition variables or joins.
478 However, you do need to implement priority scheduling in all cases.
479
480 @node Problem 1-4 Advanced Scheduler
481 @section Problem 1-4: Advanced Scheduler
482
483 Implement Solaris's multilevel feedback queue scheduler (MLFQS) to
484 reduce the average response time for running jobs on your system.
485 @xref{Multilevel Feedback Scheduling}, for a detailed description of
486 the MLFQS requirements.
487
488 Demonstrate that your scheduling algorithm reduces response time
489 relative to the original Pintos scheduling algorithm (round robin) for
490 at least one workload of your own design (i.e.@: in addition to the
491 provided test).
492
493 You may assume a static priority for this problem. It is not necessary
494 to ``re-donate'' a thread's priority if it changes (although you are
495 free to do so).
496
497 You must write your code so that we can turn the MLFQS on and off at
498 compile time.  By default, it must be off, but we must be able to turn
499 it on by inserting the line @code{#define MLFQS 1} in
500 @file{constants.h}.  @xref{Conditional Compilation}, for details.
501
502 @node Threads FAQ
503 @section FAQ
504
505 @enumerate 1
506 @item General FAQs
507
508 @enumerate 1
509 @item
510 @b{I am adding a new @file{.h} or @file{.c} file.  How do I fix the
511 @file{Makefile}s?}@anchor{Adding c or h Files}
512
513 To add a @file{.c} file, edit the top-level @file{Makefile.build}.
514 You'll want to add your file to variable @samp{@var{dir}_SRC}, where
515 @var{dir} is the directory where you added the file.  For this
516 project, that means you should add it to @code{threads_SRC}, or
517 possibly @code{devices_SRC} if you put in the @file{devices}
518 directory.  Then run @code{make}.  If your new file doesn't get
519 compiled, run @code{make clean} and then try again.
520
521 When you modify the top-level @file{Makefile.build}, the modified
522 version should be automatically copied to
523 @file{threads/build/Makefile} when you re-run make.  The opposite is
524 not true, so any changes will be lost the next time you run @code{make
525 clean} from the @file{threads} directory.  Therefore, you should
526 prefer to edit @file{Makefile.build} (unless your changes are meant to
527 be truly temporary).
528
529 There is no need to edit the @file{Makefile}s to add a @file{.h} file.
530
531 @item
532 @b{How do I write my test cases?}
533
534 Test cases should be replacements for the existing @file{test.c}
535 file.  Put them in a @file{threads/testcases} directory.
536 @xref{TESTCASE}, for more information.
537
538 @item
539 @b{Why can't I disable interrupts?}
540
541 Turning off interrupts should only be done for short amounts of time,
542 or else you end up losing important things such as disk or input
543 events.  Turning off interrupts also increases the interrupt handling
544 latency, which can make a machine feel sluggish if taken too far.
545 Therefore, in general, setting the interrupt level should be used
546 sparingly.  Also, any synchronization problem can be easily solved by
547 turning interrupts off, since while interrupts are off, there is no
548 concurrency, so there's no possibility for race condition.
549
550 To make sure you understand concurrency well, we are discouraging you
551 from taking this shortcut at all in your solution.  If you are unable
552 to solve a particular synchronization problem with semaphores, locks,
553 or conditions, or think that they are inadequate for a particular
554 reason, you may turn to disabling interrupts.  If you want to do this,
555 we require in your design document a complete justification and
556 scenario (i.e.@: exact sequence of events) to show why interrupt
557 manipulation is the best solution.  If you are unsure, the TAs can
558 help you determine if you are using interrupts too haphazardly.  We
559 want to emphasize that there are only limited cases where this is
560 appropriate.
561
562 You might find @file{devices/intq.h} and its users to be an
563 inspiration or source of rationale.
564
565 @item
566 @b{Where might interrupt-level manipulation be appropriate?}
567
568 You might find it necessary in some solutions to the Alarm problem.
569
570 You might want it at one small point for the priority scheduling
571 problem.  Note that it is not required to use interrupts for these
572 problems.  There are other, equally correct solutions that do not
573 require interrupt manipulation.  However, if you do manipulate
574 interrupts and @strong{correctly and fully document it} in your design
575 document, we will allow limited use of interrupt disabling.
576
577 @item
578 @b{What does ``warning: no previous prototype for `@var{function}''
579 mean?}
580
581 It means that you defined a non-@code{static} function without
582 preceding it by a prototype.  Because non-@code{static} functions are
583 intended for use by other @file{.c} files, for safety they should be
584 prototyped in a header file included before their definition.  To fix
585 the problem, add a prototype in a header file that you include, or, if
586 the function isn't actually used by other @file{.c} files, make it
587 @code{static}.
588 @end enumerate
589
590 @item Alarm Clock FAQs
591
592 @enumerate 1
593 @item
594 @b{Why can't I use most synchronization primitives in an interrupt
595 handler?}
596
597 As you've discovered, you cannot sleep in an external interrupt
598 handler.  Since many lock, semaphore, and condition variable functions
599 attempt to sleep, you won't be able to call those in
600 @code{timer_interrupt()}.  You may still use those that never sleep.
601
602 Having said that, you need to make sure that global data does not get
603 updated by multiple threads simultaneously executing
604 @code{timer_sleep()}.  Here are some pieces of information to think
605 about:
606
607 @enumerate a
608 @item
609 Interrupts are turned off while @code{timer_interrupt()} runs.  This
610 means that @code{timer_interrupt()} will not be interrupted by a
611 thread running in @code{timer_sleep()}.
612
613 @item
614 A thread in @code{timer_sleep()}, however, can be interrupted by a
615 call to @code{timer_interrupt()}, except when that thread has turned
616 off interrupts.
617
618 @item
619 Examples of synchronization mechanisms have been presented in lecture.
620 Going over these examples should help you understand when each type is
621 useful or needed.
622 @end enumerate
623
624 @item
625 @b{What about timer overflow due to the fact that times are defined as
626 integers? Do I need to check for that?}
627
628 Don't worry about the possibility of timer values overflowing.  Timer
629 values are expressed as signed 63-bit numbers, which at 100 ticks per
630 second should be good for almost 2,924,712,087 years.
631 @end enumerate
632
633 @item Join FAQs
634
635 @enumerate 1
636 @item
637 @b{Am I correct to assume that once a thread is deleted, it is no
638 longer accessible by the parent (i.e.@: the parent can't call
639 @code{thread_join(child)})?}
640
641 A parent joining a child that has completed should be handled
642 gracefully and should act as a no-op.
643 @end enumerate
644
645 @item Priority Scheduling FAQs
646
647 @enumerate 1
648 @item
649 @b{Doesn't the priority scheduling lead to starvation? Or do I have to
650 implement some sort of aging?}
651
652 It is true that strict priority scheduling can lead to starvation
653 because thread may not run if a higher-priority thread is runnable.
654 In this problem, don't worry about starvation or any sort of aging
655 technique.  Problem 4 will introduce a mechanism for dynamically
656 changing thread priorities.
657
658 This sort of scheduling is valuable in real-time systems because it
659 offers the programmer more control over which jobs get processing
660 time.  High priorities are generally reserved for time-critical
661 tasks. It's not ``fair,'' but it addresses other concerns not
662 applicable to a general-purpose operating system.
663
664 @item
665 @b{After a lock has been released, does the program need to switch to
666 the highest priority thread that needs the lock (assuming that its
667 priority is higher than that of the current thread)?}
668
669 When a lock is released, the highest priority thread waiting for that
670 lock should be unblocked and put on the ready to run list.  The
671 scheduler should then run the highest priority thread on the ready
672 list.
673
674 @item
675 @b{If a thread calls @code{thread_yield()} and then it turns out that
676 it has higher priority than any other threads, does the high-priority
677 thread continue running?}
678
679 Yes.  If there is a single highest-priority thread, it continues
680 running until it blocks or finishes, even if it calls
681 @code{thread_yield()}.
682
683 @item
684 @b{If the highest priority thread is added to the ready to run list it
685 should start execution immediately.  Is it immediate enough if I
686 wait until next timer interrupt occurs?}
687
688 The highest priority thread should run as soon as it is runnable,
689 preempting whatever thread is currently running.
690
691 @item
692 @b{What happens to the priority of the donating thread?  Do the priorities
693 get swapped?}
694
695 No.  Priority donation only changes the priority of the low-priority
696 thread.  The donating thread's priority stays unchanged.  Also note
697 that priorities aren't additive: if thread A (with priority 5) donates
698 to thread B (with priority 3), then B's new priority is 5, not 8.
699
700 @item 
701 @b{Can a thread's priority be changed while it is sitting on the ready
702 queue?}
703
704 Yes.  Consider this case: low-priority thread L currently has a lock
705 that high-priority thread H wants.  H donates its priority to L (the
706 lock holder).  L finishes with the lock, and then loses the CPU and is
707 moved to the ready queue.  Now L's old priority is restored while it
708 is in the ready queue.
709
710 @item
711 @b{Can a thread's priority change while it is sitting on the queue of a
712 semaphore?}
713
714 Yes.  Same scenario as above except L gets blocked waiting on a new
715 lock when H restores its priority.
716
717 @item
718 @b{Why is pubtest3's FIFO test skipping some threads! I know my scheduler
719 is round-robin'ing them like it's supposed to!  Our output is like this:}
720
721 @example
722 Thread 0 goes.
723 Thread 2 goes.
724 Thread 3 goes.
725 Thread 4 goes.
726 Thread 0 goes.
727 Thread 1 goes.
728 Thread 2 goes.
729 Thread 3 goes.
730 Thread 4 goes.
731 @end example
732
733 @noindent @b{which repeats 5 times and then}
734
735 @example
736 Thread 1 goes.
737 Thread 1 goes.
738 Thread 1 goes.
739 Thread 1 goes.
740 Thread 1 goes.
741 @end example
742
743 This happens because context switches are being invoked by the test
744 when it explicitly calls @code{thread_yield()}.  However, the time
745 slice timer is still alive and so, every tick (by default), thread 1
746 gets switched out (caused by @code{timer_interrupt()} calling
747 @code{intr_yield_on_return()}) before it gets a chance to run its
748 mainline.  It is by coincidence that Thread 1 is the one that gets
749 skipped in our example.  If we use a different jitter value, the same
750 behavior is seen where a thread gets started and switched out
751 completely.
752
753 Solution: Increase the value of @code{TIME_SLICE} in
754 @file{devices/timer.c} to a very high value, such as 10000, to see
755 that the threads will round-robin if they aren't interrupted.
756
757 @item
758 @b{What happens when a thread is added to the ready list which has
759 higher priority than the currently running thread?}
760
761 The correct behavior is to immediately yield the processor.  Your
762 solution must act this way.
763
764 @item
765 @b{What should @code{thread_get_priority()} return in a thread while
766 its priority has been increased by a donation?}
767
768 The higher (donated) priority.
769 @end enumerate
770
771 @item Advanced Scheduler FAQs
772
773 @enumerate 1
774 @item
775 @b{What is the interval between timer interrupts?}
776
777 Timer interrupts occur @code{TIMER_FREQ} times per second.  You can
778 adjust this value by editing @file{devices/timer.h}.  The default is
779 100 Hz.
780
781 You can also adjust the number of timer ticks per time slice by
782 modifying @code{TIME_SLICE} in @file{devices/timer.c}.
783
784 @item
785 @b{Do I have to modify the dispatch table?}
786
787 No, although you are allowed to. It is possible to complete
788 this problem (i.e.@: demonstrate response time improvement)
789 without doing so.
790
791 @item
792 @b{When the scheduler changes the priority of a thread, how does this
793 affect priority donation?}
794
795 Short (official) answer: Don't worry about it. Your priority donation
796 code may assume static priority assignment.
797
798 Longer (unofficial) opinion: If you wish to take this into account,
799 however, your design may end up being ``cleaner.''  You have
800 considerable freedom in what actually takes place. I believe what
801 makes the most sense is for scheduler changes to affect the
802 ``original'' (non-donated) priority.  This change may actually be
803 masked by the donated priority.  Priority changes should only
804 propagate with donations, not ``backwards'' from donees to donors.
805
806 @item
807 @b{What is meant by ``static priority''?}
808
809 Once thread A has donated its priority to thread B, if thread A's
810 priority changes (due to the scheduler) while the donation still
811 exists, you do not have to change thread B's donated priority.
812 However, you are free to do so.
813
814 @item
815 @b{Do I have to make my dispatch table user-configurable?}
816
817 No.  Hard-coding the dispatch table values is fine.
818 @end enumerate
819 @end enumerate