Update docs.
[pintos-anon] / doc / threads.texi
1 @node Project 1--Threads, Project 2--User Programs, Pintos Tour, 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 Before you read the description of this project, you should read all
15 of the following sections: @ref{Introduction}, @ref{Coding Standards},
16 @ref{Project Documentation}, @ref{Debugging Tools}, and
17 @ref{Development Tools}.  You should at least skim the material in
18 @ref{Threads Tour}.  To complete this project you will also need to
19 read @ref{Multilevel Feedback Scheduling}.
20
21 @menu
22 * Understanding Threads::       
23 * Project 1 Code::              
24 * Debugging versus Testing::    
25 * Tips::                        
26 * Problem 1-1 Alarm Clock::     
27 * Problem 1-2 Join::            
28 * Problem 1-3 Priority Scheduling::  
29 * Problem 1-4 Advanced Scheduler::  
30 * Threads FAQ::                 
31 @end menu
32
33 @node Understanding Threads
34 @section Understanding Threads
35
36 The first step is to read and understand the initial thread system.
37 Pintos, by default, implements thread creation and thread completion,
38 a simple scheduler to switch between threads, and synchronization
39 primitives (semaphores, locks, and condition variables). 
40
41 However, there's a lot of magic going on in some of this code, so if
42 you haven't already compiled and run the base system, as described in
43 the introduction (@pxref{Introduction}), you should do so now.  You
44 can read through parts of the source code by hand to see what's going
45 on.  If you like, you can add calls to @func{printf} almost
46 anywhere, then recompile and run to see what happens and in what
47 order.  You can also run the kernel in a debugger and set breakpoints
48 at interesting spots, single-step through code and examine data, and
49 so on.  @xref{i386-elf-gdb}, for more information.
50
51 When a thread is created, you are creating a new context to be
52 scheduled. You provide a function to be run in this context as an
53 argument to @func{thread_create}. The first time the thread is
54 scheduled and runs, it will start from the beginning of that function
55 and execute it in the context. When that function returns, that thread
56 completes. Each thread, therefore, acts like a mini-program running
57 inside Pintos, with the function passed to @func{thread_create}
58 acting like @func{main}.
59
60 At any given time, Pintos is running exactly one thread, with the
61 others switched out.  The scheduler decides which thread to run next
62 when it needs to switch between them.  (If no thread is ready to run
63 at any given time, then the special ``idle'' thread runs.)  The
64 synchronization primitives are used to force context switches when one
65 thread needs to wait for another thread to do something.
66
67 The exact mechanics of a context switch are pretty gruesome and have
68 been provided for you in @file{threads/switch.S} (this is 80@var{x}86
69 assembly; don't worry about understanding it).  It involves saving the
70 state of the currently running thread and restoring the state of the
71 thread we're switching to.
72
73 Using the @command{gdb} debugger, slowly trace through a context
74 switch to see what happens (@pxref{i386-elf-gdb}).  You can set a
75 breakpoint on the @func{schedule} function to start out, and then
76 single-step from there.@footnote{@command{gdb} might tell you that
77 @func{schedule} doesn't exist, which is arguably a @command{gdb} bug.
78 You can work around this by setting the breakpoint by filename and
79 line number, e.g.@: @code{break thread.c:@var{ln}} where @var{ln} is
80 the line number of the first declaration in @func{schedule}.
81 Alternatively you can recompile with optimization turned off, by
82 removing @samp{-O3} from the @code{CFLAGS} line in
83 @file{Make.config}.}  Be sure to keep track of each thread's address
84 and state, and what procedures are on the call stack for each thread.
85 You will notice that when one thread calls @func{switch_threads},
86 another thread starts running, and the first thing the new thread does
87 is to return from @func{switch_threads}.  We realize this comment will
88 seem cryptic to you at this point, but you will understand threads
89 once you understand why the @func{switch_threads} that gets called is
90 different from the @func{switch_threads} that returns.
91
92 @strong{Warning}: In Pintos, each thread is assigned a small,
93 fixed-size execution stack just under @w{4 kB} in size.  The kernel
94 does try to detect stack overflow, but it cannot always succeed.  You
95 may cause bizarre problems, such as mysterious kernel panics, if you
96 declare large data structures as non-static local variables,
97 e.g. @samp{int buf[1000];}.  Alternatives to stack allocation include
98 the page allocator in @file{threads/palloc.c} and the block allocator
99 in @file{threads/malloc.c}.  Note that the page allocator doles out
100 @w{4 kB} chunks and that @func{malloc} has a @w{2 kB} block size
101 limit.  If you need larger chunks, consider using a linked structure
102 instead.
103
104 @node Project 1 Code
105 @section Code
106
107 Here is a brief overview of the files in the @file{threads}
108 directory.  You will not need to modify most of this code, but the
109 hope is that presenting this overview will give you a start on what
110 code to look at.
111
112 @table @file
113 @item loader.S
114 @itemx loader.h
115 The kernel loader.  Assembles to 512 bytes of code and data that the
116 PC BIOS loads into memory and which in turn loads the kernel into
117 memory, does basic processor initialization, and jumps to the
118 beginning of the kernel.  You should not need to look at this code or
119 modify it.
120
121 @item kernel.lds.S
122 The linker script used to link the kernel.  Sets the load address of
123 the kernel and arranges for @file{start.S} to be at the very beginning
124 of the kernel image.  Again, you should not need to look at this code
125 or modify it, but it's here in case you're curious.
126
127 @item start.S
128 Jumps to @func{main}.
129
130 @item init.c
131 @itemx init.h
132 Kernel initialization, including @func{main}, the kernel's ``main
133 program.''  You should look over @func{main} at least to see what
134 gets initialized.
135
136 @item thread.c
137 @itemx thread.h
138 Basic thread support.  Much of your work will take place in these
139 files.  @file{thread.h} defines @struct{thread}, which you will
140 modify in the first three projects.
141
142 @item switch.S
143 @itemx switch.h
144 Assembly language routine for switching threads.  Already discussed
145 above.
146
147 @item palloc.c
148 @itemx palloc.h
149 Page allocator, which hands out system memory in multiples of 4 kB
150 pages.
151
152 @item malloc.c
153 @itemx malloc.h
154 A very simple implementation of @func{malloc} and @func{free} for
155 the kernel.
156
157 @item interrupt.c
158 @itemx interrupt.h
159 Basic interrupt handling and functions for turning interrupts on and
160 off.
161
162 @item intr-stubs.pl
163 @itemx intr-stubs.h
164 A Perl program that outputs assembly for low-level interrupt handling.
165
166 @item synch.c
167 @itemx synch.h
168 Basic synchronization primitives: semaphores, locks, and condition
169 variables.  You will need to use these for synchronization through all
170 four projects.
171
172 @item test.c
173 @itemx test.h
174 Test code.  For project 1, you will replace this file with your test
175 cases.
176
177 @item io.h
178 Functions for I/O port access.  This is mostly used by source code in
179 the @file{devices} directory that you won't have to touch.
180
181 @item mmu.h
182 Functions and macros related to memory management, including page
183 directories and page tables.  This will be more important to you in
184 project 3.  For now, you can ignore it.
185 @end table
186
187 @menu
188 * devices code::                
189 * lib files::                   
190 @end menu
191
192 @node devices code
193 @subsection @file{devices} code
194
195 The basic threaded kernel also includes these files in the
196 @file{devices} directory:
197
198 @table @file
199 @item timer.c
200 @itemx timer.h
201 System timer that ticks, by default, 100 times per second.  You will
202 modify this code in Problem 1-1.
203
204 @item vga.c
205 @itemx vga.h
206 VGA display driver.  Responsible for writing text to the screen.
207 You should have no need to look at this code.  @func{printf} will
208 call into the VGA display driver for you, so there's little reason to
209 call this code yourself.
210
211 @item serial.c
212 @itemx serial.h
213 Serial port driver.  Again, @func{printf} calls this code for you,
214 so you don't need to do so yourself.  Feel free to look through it if
215 you're curious.
216
217 @item disk.c
218 @itemx disk.h
219 Supports reading and writing sectors on up to 4 IDE disks.  This won't
220 actually be used until project 2.
221
222 @item intq.c
223 @itemx intq.h
224 Interrupt queue, for managing a circular queue that both kernel
225 threads and interrupt handlers want to access.  Used by the keyboard
226 and serial drivers.
227 @end table
228
229 @node lib files
230 @subsection @file{lib} files
231
232 Finally, @file{lib} and @file{lib/kernel} contain useful library
233 routines.  (@file{lib/user} will be used by user programs, starting in
234 project 2, but it is not part of the kernel.)  Here's a few more
235 details:
236
237 @table @file
238 @item ctype.h
239 @itemx inttypes.h
240 @itemx limits.h
241 @itemx stdarg.h
242 @itemx stdbool.h
243 @itemx stddef.h
244 @itemx stdint.h
245 @itemx stdio.c
246 @itemx stdio.h
247 @itemx stdlib.c
248 @itemx stdlib.h
249 @itemx string.c
250 @itemx string.h
251 Implementation of the standard C library.  @xref{C99}, for information
252 on a few recently introduced pieces of the C library that you might
253 not have encountered before.  @xref{Unsafe String Functions}, for
254 information on what's been intentionally left out for safety.
255
256 @item debug.c
257 @itemx debug.h
258 Functions and macros to aid debugging.  @xref{Debugging Tools}, for
259 more information.
260
261 @item random.c
262 @itemx random.h
263 Pseudo-random number generator.
264
265 @item round.h
266 Macros for rounding.
267
268 @item syscall-nr.h
269 System call numbers.  Not used until project 2.
270
271 @item kernel/list.c
272 @itemx kernel/list.h
273 Doubly linked list implementation.  Used all over the Pintos code, and
274 you'll probably want to use it a few places yourself in project 1.
275
276 @item kernel/bitmap.c
277 @itemx kernel/bitmap.h
278 Bitmap implementation.  You can use this in your code if you like, but
279 you probably won't have any need for project 1.
280
281 @item kernel/hash.c
282 @itemx kernel/hash.h
283 Hash table implementation.  Likely to come in handy for project 3.
284
285 @item kernel/console.c
286 @itemx kernel/console.h
287 Implements @func{printf} and a few other functions.
288 @end table
289
290 @node Debugging versus Testing
291 @section Debugging versus Testing
292
293 When you're debugging code, it's useful to be able to be able to run a
294 program twice and have it do exactly the same thing.  On second and
295 later runs, you can make new observations without having to discard or
296 verify your old observations.  This property is called
297 ``reproducibility.''  The simulator we use, Bochs, can be set up for
298 reproducibility, and that's the way that @command{pintos} invokes it.
299
300 Of course, a simulation can only be reproducible from one run to the
301 next if its input is the same each time.  For simulating an entire
302 computer, as we do, this means that every part of the computer must be
303 the same.  For example, you must use the same disks, the same version
304 of Bochs, and you must not hit any keys on the keyboard (because you
305 could not be sure to hit them at exactly the same point each time)
306 during the runs.
307
308 While reproducibility is useful for debugging, it is a problem for
309 testing thread synchronization, an important part of this project.  In
310 particular, when Bochs is set up for reproducibility, timer interrupts
311 will come at perfectly reproducible points, and therefore so will
312 thread switches.  That means that running the same test several times
313 doesn't give you any greater confidence in your code's correctness
314 than does running it only once.
315
316 So, to make your code easier to test, we've added a feature to Bochs
317 that makes timer interrupts come at random intervals, but in a
318 perfectly predictable way.  In particular, if you invoke
319 @command{pintos} with the option @option{-j @var{seed}}, timer
320 interrupts will come at irregularly spaced intervals.  Within a single
321 @var{seed} value, execution will still be reproducible, but timer
322 behavior will change as @var{seed} is varied.  Thus, for the highest
323 degree of confidence you should test your code with many seed values.
324
325 @node Tips
326 @section Tips
327
328 There should be no busy-waiting in any of your solutions to this
329 assignment.  Furthermore, resist the temptation to directly disable
330 interrupts in your solution by calling @func{intr_disable} or
331 @func{intr_set_level}, although you may find doing so to be useful
332 while debugging.  Instead, use semaphores, locks and condition
333 variables to solve synchronization problems.  Hint: read the comments
334 in @file{threads/synch.h} if you're unsure what synchronization
335 primitives may be used in what situations.
336
337 Given some designs of some problems, there may be one or two instances
338 in which it is appropriate to directly change the interrupt levels
339 instead of relying on the given synchroniztion primitives.  This must
340 be justified in your @file{DESIGNDOC} file.  If you're not sure you're
341 justified, ask!
342
343 While all parts of this assignment are required if you intend to earn
344 full credit on this project, keep in mind that Problem 1-2 (Join) will
345 be needed for future assignments, so you'll want to get this one
346 right.  We don't give out solutions, so you're stuck with your Join
347 code for the whole quarter.  Problem 1-1 (Alarm Clock) could be very
348 handy, but not strictly required in the future.  The upshot of all
349 this is that you should focus heavily on making sure that your
350 implementation of @func{thread_join} works correctly, since if it's
351 broken, you will need to fix it for future assignments.  The other
352 parts can be turned off in the future if you find you can't make them
353 work quite right.
354
355 Also keep in mind that Problem 1-4 (the MLFQS) builds on the features you
356 implement in Problem 1-3, so to avoid unnecessary code duplication, it
357 would be a good idea to divide up the work among your team members
358 such that you have Problem 1-3 fully working before you begin to tackle
359 Problem 1-4.
360
361 @node Problem 1-1 Alarm Clock
362 @section Problem 1-1: Alarm Clock
363
364 Improve the implementation of the timer device defined in
365 @file{devices/timer.c} by reimplementing @func{timer_sleep}.
366 Threads call @code{timer_sleep(@var{x})} to suspend execution until
367 time has advanced by at least @w{@var{x} timer ticks}.  This is
368 useful for threads that operate in real-time, for example, for
369 blinking the cursor once per second.  There is no requirement that
370 threads start running immediately after waking up; just put them on
371 the ready queue after they have waited for approximately the right
372 amount of time.
373
374 A working implementation of this function is provided.  However, the
375 version provided is poor, because it ``busy waits,'' that is, it spins
376 in a tight loop checking the current time until the current time has
377 advanced far enough.  This is undesirable because it wastes time that
378 could potentially be used more profitably by another thread.  Your
379 solution should not busy wait.
380
381 The argument to @func{timer_sleep} is expressed in timer ticks, not
382 in milliseconds or another unit.  There are @code{TIMER_FREQ} timer
383 ticks per second, where @code{TIMER_FREQ} is a macro defined in
384 @code{devices/timer.h}.
385
386 @node Problem 1-2 Join
387 @section Problem 1-2: Join
388
389 Implement @code{thread_join(tid_t)} in @file{threads/thread.c}.  There
390 is already a prototype for it in @file{threads/thread.h}, which you
391 should not change.  This function causes the currently running thread
392 to block until the thread whose thread id is passed as an argument
393 exits.  If @var{A} is the running thread and @var{B} is the argument,
394 then we say that ``@var{A} joins @var{B}.''
395
396 Incidentally, we don't use @code{struct thread *} as
397 @func{thread_join}'s parameter type because a thread pointer is not
398 unique over time.  That is, when a thread dies, its memory may be,
399 whether immediately or much later, reused for another thread.  If
400 thread A over time had two children B and C that were stored at the
401 same address, then @code{thread_join(@var{B})} and
402 @code{thread_join(@var{C})} would be ambiguous.  Introducing a thread
403 id or @dfn{tid}, represented by type @code{tid_t}, that is
404 intentionally unique over time solves the problem.  The provided code
405 uses an @code{int} for @code{tid_t}, but you may decide you prefer to
406 use some other type.
407
408 The model for @func{thread_join} is the @command{wait} system call
409 in Unix-like systems.  (Try reading the manpages.)  That system call
410 can only be used by a parent process to wait for a child's death.  You
411 should implement @func{thread_join} to have the same restriction.
412 That is, a thread may only join its immediate children.
413
414 A thread need not ever be joined.  Your solution should properly free
415 all of a thread's resources, including its @struct{thread},
416 whether it is ever joined or not, and regardless of whether the child
417 exits before or after its parent.  That is, a thread should be freed
418 exactly once in all cases.
419
420 Joining a given thread is idempotent.  That is, joining a thread T
421 multiple times is equivalent to joining it once, because T has already
422 exited at the time of the later joins.  Thus, joins on T after the
423 first should return immediately.
424
425 Calling @func{thread_join} on an thread that is not the caller's
426 child should cause the caller to return immediately.
427
428 Consider all the ways a join can occur: nested joins (@var{A} joins
429 @var{B}, then @var{B} joins @var{C}), multiple joins (@var{A} joins
430 @var{B}, then @var{A} joins @var{C}), and so on.  Does your join work
431 if @func{thread_join} is called on a thread that has not yet been
432 scheduled for the first time?  You should handle all of these cases.
433 Write test code that demonstrates the cases your join works for.
434 Don't overdo the output volume, please!
435
436 Be careful to program this function correctly.  You will need its
437 functionality for project 2.
438
439 Once you've implemented @func{thread_join}, define
440 @code{THREAD_JOIN_IMPLEMENTED} in @file{constants.h}.
441 @xref{Conditional Compilation}, for more information.
442
443 @node Problem 1-3 Priority Scheduling
444 @section Problem 1-3: Priority Scheduling
445
446 Implement priority scheduling in Pintos.  Priority scheduling is a key
447 building block for real-time systems.  Implement functions
448 @func{thread_set_priority} to set the priority of the running thread
449 and @func{thread_get_priority} to get the running thread's priority.
450 (A thread can examine and modify only its own priority.)  There are
451 already prototypes for these functions in @file{threads/thread.h},
452 which you should not change.
453
454 Thread priority ranges from @code{PRI_MIN} (0) to @code{PRI_MAX} (59).
455 The initial thread priority is passed as an argument to
456 @func{thread_create}.  If there's no reason to choose another
457 priority, use @code{PRI_DEFAULT} (29).  The @code{PRI_} macros are
458 defined in @file{threads/thread.h}, and you should not change their
459 values.
460
461 When a thread is added to the ready list that has a higher priority
462 than the currently running thread, the current thread should
463 immediately yield the processor to the new thread.  Similarly, when
464 threads are waiting for a lock, semaphore or condition variable, the
465 highest priority waiting thread should be woken up first.  A thread
466 may set its priority at any time.
467
468 One issue with priority scheduling is ``priority inversion'': if a
469 high priority thread needs to wait for a low priority thread (for
470 instance, for a lock held by a low priority thread, or in
471 @func{thread_join} for a thread to complete), and a middle priority
472 thread is on the ready list, then the high priority thread will never
473 get the CPU because the low priority thread will not get any CPU time.
474 A partial fix for this problem is to have the waiting thread
475 ``donate'' its priority to the low priority thread while it is holding
476 the lock, then recall the donation once it has acquired the lock.
477 Implement this fix.
478
479 You will need to account for all different orders that priority
480 donation and inversion can occur.  Be sure to handle multiple
481 donations, in which multiple priorities are donated to a thread.  You
482 must also handle nested donation: given high, medium, and low priority
483 threads @var{H}, @var{M}, and @var{L}, respectively, if @var{H} is
484 waiting on a lock that @var{M} holds and @var{M} is waiting on a lock
485 that @var{L} holds, then both @var{M} and @var{L} should be boosted to
486 @var{H}'s priority.
487
488 You only need to implement priority donation when a thread is waiting
489 for a lock held by a lower-priority thread.  You do not need to
490 implement this fix for semaphores, condition variables or joins.
491 However, you do need to implement priority scheduling in all cases.
492
493 @node Problem 1-4 Advanced Scheduler
494 @section Problem 1-4: Advanced Scheduler
495
496 Implement Solaris's multilevel feedback queue scheduler (MLFQS) to
497 reduce the average response time for running jobs on your system.
498 @xref{Multilevel Feedback Scheduling}, for a detailed description of
499 the MLFQS requirements.
500
501 Demonstrate that your scheduling algorithm reduces response time
502 relative to the original Pintos scheduling algorithm (round robin) for
503 at least one workload of your own design (i.e.@: in addition to the
504 provided test).
505
506 You may assume a static priority for this problem. It is not necessary
507 to ``re-donate'' a thread's priority if it changes (although you are
508 free to do so).
509
510 You must write your code so that we can turn the MLFQS on and off at
511 compile time.  By default, it must be off, but we must be able to turn
512 it on by inserting the line @code{#define MLFQS 1} in
513 @file{constants.h}.  @xref{Conditional Compilation}, for details.
514
515 @node Threads FAQ
516 @section FAQ
517
518 @enumerate 1
519 @item
520 @b{I am adding a new @file{.h} or @file{.c} file.  How do I fix the
521 @file{Makefile}s?}@anchor{Adding c or h Files}
522
523 To add a @file{.c} file, edit the top-level @file{Makefile.build}.
524 You'll want to add your file to variable @samp{@var{dir}_SRC}, where
525 @var{dir} is the directory where you added the file.  For this
526 project, that means you should add it to @code{threads_SRC}, or
527 possibly @code{devices_SRC} if you put in the @file{devices}
528 directory.  Then run @code{make}.  If your new file doesn't get
529 compiled, run @code{make clean} and then try again.
530
531 When you modify the top-level @file{Makefile.build}, the modified
532 version should be automatically copied to
533 @file{threads/build/Makefile} when you re-run make.  The opposite is
534 not true, so any changes will be lost the next time you run @code{make
535 clean} from the @file{threads} directory.  Therefore, you should
536 prefer to edit @file{Makefile.build} (unless your changes are meant to
537 be truly temporary).
538
539 There is no need to edit the @file{Makefile}s to add a @file{.h} file.
540
541 @item
542 @b{How do I write my test cases?}
543
544 Test cases should be replacements for the existing @file{test.c}
545 file.  Put them in a @file{threads/testcases} directory.
546 @xref{TESTCASE}, for more information.
547
548 @item
549 @b{Why can't I disable interrupts?}
550
551 Turning off interrupts should only be done for short amounts of time,
552 or else you end up losing important things such as disk or input
553 events.  Turning off interrupts also increases the interrupt handling
554 latency, which can make a machine feel sluggish if taken too far.
555 Therefore, in general, setting the interrupt level should be used
556 sparingly.  Also, any synchronization problem can be easily solved by
557 turning interrupts off, since while interrupts are off, there is no
558 concurrency, so there's no possibility for race condition.
559
560 To make sure you understand concurrency well, we are discouraging you
561 from taking this shortcut at all in your solution.  If you are unable
562 to solve a particular synchronization problem with semaphores, locks,
563 or conditions, or think that they are inadequate for a particular
564 reason, you may turn to disabling interrupts.  If you want to do this,
565 we require in your design document a complete justification and
566 scenario (i.e.@: exact sequence of events) to show why interrupt
567 manipulation is the best solution.  If you are unsure, the TAs can
568 help you determine if you are using interrupts too haphazardly.  We
569 want to emphasize that there are only limited cases where this is
570 appropriate.
571
572 You might find @file{devices/intq.h} and its users to be an
573 inspiration or source of rationale.
574
575 @item
576 @b{Where might interrupt-level manipulation be appropriate?}
577
578 You might find it necessary in some solutions to the Alarm problem.
579
580 You might want it at one small point for the priority scheduling
581 problem.  Note that it is not required to use interrupts for these
582 problems.  There are other, equally correct solutions that do not
583 require interrupt manipulation.  However, if you do manipulate
584 interrupts and @strong{correctly and fully document it} in your design
585 document, we will allow limited use of interrupt disabling.
586
587 @item
588 @b{What does ``warning: no previous prototype for `@var{function}''
589 mean?}
590
591 It means that you defined a non-@code{static} function without
592 preceding it by a prototype.  Because non-@code{static} functions are
593 intended for use by other @file{.c} files, for safety they should be
594 prototyped in a header file included before their definition.  To fix
595 the problem, add a prototype in a header file that you include, or, if
596 the function isn't actually used by other @file{.c} files, make it
597 @code{static}.
598 @end enumerate
599
600 @menu
601 * Problem 1-1 Alarm Clock FAQ::  
602 * Problem 1-2 Join FAQ::        
603 * Problem 1-3 Priority Scheduling FAQ::  
604 * Problem 1-4 Advanced Scheduler FAQ::  
605 @end menu
606
607 @node Problem 1-1 Alarm Clock FAQ
608 @subsection Problem 1-1: Alarm Clock FAQ
609
610 @enumerate 1
611 @item
612 @b{Why can't I use most synchronization primitives in an interrupt
613 handler?}
614
615 As you've discovered, you cannot sleep in an external interrupt
616 handler.  Since many lock, semaphore, and condition variable functions
617 attempt to sleep, you won't be able to call those in
618 @func{timer_interrupt}.  You may still use those that never sleep.
619
620 Having said that, you need to make sure that global data does not get
621 updated by multiple threads simultaneously executing
622 @func{timer_sleep}.  Here are some pieces of information to think
623 about:
624
625 @enumerate a
626 @item
627 Interrupts are turned off while @func{timer_interrupt} runs.  This
628 means that @func{timer_interrupt} will not be interrupted by a
629 thread running in @func{timer_sleep}.
630
631 @item
632 A thread in @func{timer_sleep}, however, can be interrupted by a
633 call to @func{timer_interrupt}, except when that thread has turned
634 off interrupts.
635
636 @item
637 Examples of synchronization mechanisms have been presented in lecture.
638 Going over these examples should help you understand when each type is
639 useful or needed.
640 @end enumerate
641
642 @item
643 @b{What about timer overflow due to the fact that times are defined as
644 integers? Do I need to check for that?}
645
646 Don't worry about the possibility of timer values overflowing.  Timer
647 values are expressed as signed 63-bit numbers, which at 100 ticks per
648 second should be good for almost 2,924,712,087 years.
649
650 @item
651 @b{The test program mostly works but reports a few out-of-order
652 wake ups.  I think it's a problem in the test program.  What gives?}
653
654 This test is inherently full of race conditions.  On a real system it
655 wouldn't work perfectly all the time either.  However, you can help it
656 work more reliably:
657
658 @itemize @bullet
659 @item
660 Make time slices longer by increasing @code{TIME_SLICE} in
661 @file{timer.c} to a large value, such as 100.
662
663 @item
664 Make the timer tick more slowly by decreasing @code{TIMER_FREQ} in
665 @file{timer.h} to its minimum value of 19.
666
667 @item
668 Increase the serial output speed to the maximum of 115,200 bps by
669 modifying the call to @func{set_serial} in @func{serial_init_poll} in
670 @file{devices/serial.c}.
671 @end itemize
672
673 The former two changes are only desirable for testing problem 1-1.  You
674 should revert them before working on other parts of the project or turn
675 in the project.  The latter is harmless, so you can retain it or revert
676 it at your option.
677 @end enumerate
678
679 @node Problem 1-2 Join FAQ
680 @subsection Problem 1-2: Join FAQ
681
682 @enumerate 1
683 @item
684 @b{Am I correct to assume that once a thread is deleted, it is no
685 longer accessible by the parent (i.e.@: the parent can't call
686 @code{thread_join(child)})?}
687
688 A parent joining a child that has completed should be handled
689 gracefully and should act as a no-op.
690 @end enumerate
691
692 @node Problem 1-3 Priority Scheduling FAQ
693 @subsection Problem 1-3: Priority Scheduling FAQ
694
695 @enumerate 1
696 @item
697 @b{Doesn't the priority scheduling lead to starvation? Or do I have to
698 implement some sort of aging?}
699
700 It is true that strict priority scheduling can lead to starvation
701 because thread may not run if a higher-priority thread is runnable.
702 In this problem, don't worry about starvation or any sort of aging
703 technique.  Problem 4 will introduce a mechanism for dynamically
704 changing thread priorities.
705
706 This sort of scheduling is valuable in real-time systems because it
707 offers the programmer more control over which jobs get processing
708 time.  High priorities are generally reserved for time-critical
709 tasks. It's not ``fair,'' but it addresses other concerns not
710 applicable to a general-purpose operating system.
711
712 @item
713 @b{After a lock has been released, does the program need to switch to
714 the highest priority thread that needs the lock (assuming that its
715 priority is higher than that of the current thread)?}
716
717 When a lock is released, the highest priority thread waiting for that
718 lock should be unblocked and put on the ready to run list.  The
719 scheduler should then run the highest priority thread on the ready
720 list.
721
722 @item
723 @b{If a thread calls @func{thread_yield} and then it turns out that
724 it has higher priority than any other threads, does the high-priority
725 thread continue running?}
726
727 Yes.  If there is a single highest-priority thread, it continues
728 running until it blocks or finishes, even if it calls
729 @func{thread_yield}.
730
731 @item
732 @b{If the highest priority thread is added to the ready to run list it
733 should start execution immediately.  Is it immediate enough if I
734 wait until next timer interrupt occurs?}
735
736 The highest priority thread should run as soon as it is runnable,
737 preempting whatever thread is currently running.
738
739 @item
740 @b{What happens to the priority of the donating thread?  Do the priorities
741 get swapped?}
742
743 No.  Priority donation only changes the priority of the low-priority
744 thread.  The donating thread's priority stays unchanged.  Also note
745 that priorities aren't additive: if thread A (with priority 5) donates
746 to thread B (with priority 3), then B's new priority is 5, not 8.
747
748 @item 
749 @b{Can a thread's priority be changed while it is sitting on the ready
750 queue?}
751
752 Yes.  Consider this case: low-priority thread L currently has a lock
753 that high-priority thread H wants.  H donates its priority to L (the
754 lock holder).  L finishes with the lock, and then loses the CPU and is
755 moved to the ready queue.  Now L's old priority is restored while it
756 is in the ready queue.
757
758 @item
759 @b{Can a thread's priority change while it is sitting on the queue of a
760 semaphore?}
761
762 Yes.  Same scenario as above except L gets blocked waiting on a new
763 lock when H restores its priority.
764
765 @item
766 @b{Why is pubtest3's FIFO test skipping some threads! I know my scheduler
767 is round-robin'ing them like it's supposed to!  Our output is like this:}
768
769 @example
770 Thread 0 goes.
771 Thread 2 goes.
772 Thread 3 goes.
773 Thread 4 goes.
774 Thread 0 goes.
775 Thread 1 goes.
776 Thread 2 goes.
777 Thread 3 goes.
778 Thread 4 goes.
779 @end example
780
781 @noindent @b{which repeats 5 times and then}
782
783 @example
784 Thread 1 goes.
785 Thread 1 goes.
786 Thread 1 goes.
787 Thread 1 goes.
788 Thread 1 goes.
789 @end example
790
791 This happens because context switches are being invoked by the test
792 when it explicitly calls @func{thread_yield}.  However, the time
793 slice timer is still alive and so, every tick (by default), thread 1
794 gets switched out (caused by @func{timer_interrupt} calling
795 @func{intr_yield_on_return}) before it gets a chance to run its
796 mainline.  It is by coincidence that Thread 1 is the one that gets
797 skipped in our example.  If we use a different jitter value, the same
798 behavior is seen where a thread gets started and switched out
799 completely.
800
801 Solution: Increase the value of @code{TIME_SLICE} in
802 @file{devices/timer.c} to a very high value, such as 10000, to see
803 that the threads will round-robin if they aren't interrupted.
804
805 @item
806 @b{What happens when a thread is added to the ready list which has
807 higher priority than the currently running thread?}
808
809 The correct behavior is to immediately yield the processor.  Your
810 solution must act this way.
811
812 @item
813 @b{What should @func{thread_get_priority} return in a thread while
814 its priority has been increased by a donation?}
815
816 The higher (donated) priority.
817 @end enumerate
818
819 @node Problem 1-4 Advanced Scheduler FAQ
820 @subsection Problem 1-4: Advanced Scheduler FAQ
821
822 @enumerate 1
823 @item
824 @b{What is the interval between timer interrupts?}
825
826 Timer interrupts occur @code{TIMER_FREQ} times per second.  You can
827 adjust this value by editing @file{devices/timer.h}.  The default is
828 100 Hz.
829
830 You can also adjust the number of timer ticks per time slice by
831 modifying @code{TIME_SLICE} in @file{devices/timer.c}.
832
833 @item
834 @b{Do I have to modify the dispatch table?}
835
836 No, although you are allowed to. It is possible to complete
837 this problem (i.e.@: demonstrate response time improvement)
838 without doing so.
839
840 @item
841 @b{When the scheduler changes the priority of a thread, how does this
842 affect priority donation?}
843
844 Short (official) answer: Don't worry about it. Your priority donation
845 code may assume static priority assignment.
846
847 Longer (unofficial) opinion: If you wish to take this into account,
848 however, your design may end up being ``cleaner.''  You have
849 considerable freedom in what actually takes place. I believe what
850 makes the most sense is for scheduler changes to affect the
851 ``original'' (non-donated) priority.  This change may actually be
852 masked by the donated priority.  Priority changes should only
853 propagate with donations, not ``backwards'' from donees to donors.
854
855 @item
856 @b{What is meant by ``static priority''?}
857
858 Once thread A has donated its priority to thread B, if thread A's
859 priority changes (due to the scheduler) while the donation still
860 exists, you do not have to change thread B's donated priority.
861 However, you are free to do so.
862
863 @item
864 @b{Do I have to make my dispatch table user-configurable?}
865
866 No.  Hard-coding the dispatch table values is fine.
867 @end enumerate