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前言：在上一期的线程章节中，我们的线程输出貌似有大问题，今天我们便要来学习同步锁来解决这个问题，同时再次基础上拿下键盘输入，实现操作系统的输入和输出。从今天开始我们的操作系统不在是一块“看板”了！！！
一，上期线程输出的不足
其实13 Day的线程输出并不完美，有很大的问题。但是这个问题经过我多天的观察其实有两种。
1，我们会发现有的线程输出的内容，并没有输出完成，而是被很大的一片空白取代
2，触发global exception 异常
至于为什么会导致这样子，相信聪明的小伙伴已经知道了，如果有学过并发编程相关的知识肯定会对该情况十分熟悉。
首先我们知道，屏幕输出的操作由多个指令组成，且需要操作显存，那么就会出现以下问题
- 显存作为公共空间，也就是临界区(不过多介绍)，所有的线程进行输出都需要操作这块空间，就会导致线程安全问题
- 屏幕输出操作有多个指令组成，这就说明屏幕输出并不是原子性的，也就是说线程的切换可能导致另一个线程屏幕输出只执行了一半，就被别人踹下台去了，就会出现原本要输出Hello，可是只输出了Hell
那我们要怎么解决这种问题呢？没错就是关闭中断，这样操作就变成原子性的，线程无阻碍的往下执行。我们可以在原本main函数的两个线程方法while的上下加上一个 关中断与开中断，当大家再次进行输出就会发现输出正常了。
但这大家仔细想想整个while模块里面有些操作并不需要都是原子性的，我们只有某些关键操作是原子性，把整个线程的函数都进行关中断那不就变成以前的串行操作了吗？这就涉及到一个关键性问题，关中断与开中断之间的粒度，也就是JUC中经常讨论到的一点：锁的粒度，他锁定的范围越小，那么线程切换工作的效率就越高。在这里我们显然只要对输出函数进行加锁处理，那么如何让一个方法加锁请接着往下看
① 信号量
有学过操作系统大学课程的同学肯定知道信号量，其中P,V代表信号量的操作，这是一个荷兰语。P代表减少，V代表上升。那么对应锁的话就是如下几个操作：
- up：
(1) 信号量的值+1
(2) 唤醒在此信号量上等待的线程
- down：
(1)判断信号量是否>1
(2)信号量大于0，信号量-1
(3)信号量等于0，线程阻塞，在此信号量上等待
② 同步锁的实现
知道以上操作之后，我们便可以来实现一个锁了，在此之前我们还需要完善线程的两个操作：阻塞与唤醒
thread/thread.c
void thread_block(enum task_status stat) {ASSERT(((stat == TASK_BLOCKED) || (stat == TASK_WAITING) || (stat == TASK_HANGINH)));enum intr_status old_status = intr_disable();struct task_struct* cur_thread = running_thread();cur_thread->status = stat;schedule();intr_set_status(old_status);
}void thread_unblock(struct task_struct* pthread) {enum intr_status old_status = intr_disable();ASSERT((pthread->status == TASK_BLOCKED) || (pthread->status == TASK_WAITING) || (pthread->status == TASK_HANGINH));if (pthread->status != TASK_READY) {ASSERT(!find(&thread_ready_list, &pthread->general_tag));if (find(&thread_ready_list, &pthread->general_tag)) {PANIC("thread_unblock");}push(&thread_ready_list, &pthread->general_tag);pthread->status = TASK_READY;}intr_set_status(old_status);
}接下来我们来实现同步锁
/thread/sync.h
#ifndef _THREAD_SYNC_H
#define _THREAD_SYNC_H
#include "list.h"
#include "stdint.h"
#include "thread.h"struct semaphore {uint8_t value; //信号量值struct list waiters; //等待队列
};struct lock {struct task_struct* holder; //持有锁的线程struct semaphore semaphore;uint32_t holder_repeat_nr; //锁重入次数
};
void lock_init(struct lock* plock);
void try_lock(struct lock* plock);
void try_release(struct lock* plock);
#endif // ! _THREAD_SYNC_H
/thread/sync.c
#include "sync.h"
#include "stdint.h"
#include "list.h"
#include "thread.h"
#include "interrupt.h"
#include "debug.h"
void sema_init(struct semaphore* psema, uint8_t value) {psema->value = value;list_init(&psema->waiters);
}void lock_init(struct lock* plock) {plock->holder = NULL;plock->holder_repeat_nr = 0;sema_init(&plock->semaphore,1);
}void sema_down(struct semaphore* psema) {enum intr_status old_status = intr_disable();while (psema->value == 0) {//检测当前线程是否在等待队列中，在的话则报错if (find(&psema->waiters, &running_thread()->general_tag)) {PANIC("sema_down: thread blocked has been in waiter");}append(&psema->waiters, &running_thread()->general_tag);thread_block(TASK_BLOCKED);}--psema->value;ASSERT(psema->value == 0);intr_set_status(old_status);
}void sema_up(struct semaphore* psema) {enum intr_status old_status = intr_disable();//从waiter队列中唤醒第一个线程if (!empty(&psema->waiters)) {struct task_struct* thread_blocked = elem2entry(struct task_struct, general_tag, pop(&psema->waiters));thread_unblock(thread_blocked);}++psema->value;ASSERT(psema->value == 1);intr_set_status(old_status);
}void try_lock(struct lock* plock) {if (plock->holder != running_thread()) {sema_down(&plock->semaphore);plock->holder = running_thread();ASSERT(plock->holder_repeat_nr == 0);plock->holder_repeat_nr = 1;}else {++plock->holder_repeat_nr;}
}void try_release(struct lock* plock) {ASSERT(plock->holder == running_thread());if (plock->holder_repeat_nr > 1) {--plock->holder_repeat_nr;return;}ASSERT(plock->holder_repeat_nr == 1);//注意这里不允许调换sema_up的位置，如果调换位置，就会导致中断开启，但是plock->hodler还没设为空就进行线程切换了plock->holder = NULL;plock->holder_repeat_nr = 0;sema_up(&plock->semaphore);
}② 实现终端输出
这样子信号量我们就完成了，接下来我们用锁来实现一个终端输出，在此之前我们先来了解了解
什么是虚拟终端。
虚拟终端(tty)：为了能让更多的人同时使用计算机，必须在一个显示器下实现多个用户，为每个用户虚拟出一个显示器
原理：不同的用户使用不同显存区域，让显存分快显示，就达到了虚拟终端的效果
device/console.h
#include "stdint.h"void console_init();
void console_acquire();
void console_release();
void console_put_str(char* str);
void console_put_char(uint8_t ch);
void console_put_int(uint32_t num);device/console.c
#include "console.h"
#include "stdint.h"
#include "sync.h"
#include "print.h"
static struct lock console_lock;void console_init() {lock_init(&console_lock);put_str("\nconsole init done!\n");
}void console_acquire() {try_lock(&console_lock);
}void console_release() {try_release(&console_lock);
}void console_put_str(char* str) {console_acquire();put_str(str);console_release();
}void console_put_char(uint8_t ch) {console_acquire();put_char(ch);console_release();
}void console_put_int(uint32_t num) {console_acquire();put_int(num);console_release();
}
将main函数中的普通put_str，改为console_put_str，接下来修改一下makefile文件，运行结果是密密麻麻的输出字符即代表我们锁编写成功（时代太过久远，忘记截图了）
三，键盘键入的原理
1，两个芯片
键盘嘛，相信大家都见过的哈，没见过的同学我相信你也肯定看不到我的文章捏。在计算机这个系统中，键盘作为一个外部设备，他并不是完完全全独立于操作系统存在的，他的功能实现涉及到了两个功能独立的芯片
- Intel 8048(或兼容芯片)：位于键盘内部，称作键盘编码器，负责监听键盘按键事件并向键盘控制器报告哪个按键按下，哪个按键弹起
- Intel 8042(或兼容芯片)：位于计算机主板，称作键盘控制器，负责接受键盘编码起的按键消息，并将其解码保存，然后向中断代码发送中断，之后处理器读取8042处理过并保存的数据
当然为了知道键盘到底安乐哪个键，8042与8048之间必须保持一个协议，那就是所有按键与对应竖直组成一个类似于hash映射的键盘扫描码
2，键的编码
键的编码
一个键通常对应两个码，按下的通码与松开的断码，当你一直按着键不松开，会产生练习相同的码，当你松开的时候才会终止这个就叫做断码
键盘扫描码
键盘的扫描码有三套：scan code set 1，scan code set 2，scan code set 3，下图分别是三套扫描码的附图
在此我们使用第一套键盘扫描码：
- 当今键盘内部芯片默认使用第二套编码，但是我们使用第一套编码，所以说8048将编码信息发送给8042的时候会进行一次转换
- 8042每次接受到一个字节的扫描码后就会向中断代理发送信号，一个按键操作至少触发两次中断(通码和断码各一次）
- 一般中断处理程序不会处理断码信息
- 当按下a键时，8048向8042发出a键的第二套扫描码0x1c，8042将其转换为第一套编码0x1e并保存到自己的缓冲区，当保存完毕后向中断代理发送中断，中断处理程序开始执行并从8042缓冲区读取0x1e，当松开后重复上述操作。
3，8042简介
8048是键盘的控制者(键盘监控，键盘设置，灯光)，8042是键盘的IO接口，因此8042是8048的代理，8048通过PS/2，USB接口 与8042通信，处理器通过端口与8042通信。
8042有4个8位寄存器
- 8042作为8048的中转站，8048通过out 0x60，将自己的数据写入8042中，让自己的数据通过8042被操作系统读入
- 8042作为8048的输入缓冲区，将8048的信息暂存在8042缓冲区，操作系统通过 in 0x60读入数据
要注意一点的是，当8042缓冲区已经有数据时，就不会再次读入数据，要等到数据被中断程序读取后才会再次读入8048的数据，他是根据一个状态寄存器的第0位来判断的。
8042有3个寄存器，状态寄存器，输入缓冲区寄存器，控制寄存器，由于我们只需要用到部分功能我也就贴出图大家稍微参考一下即可
三，编写键盘驱动
#include "interrupt.h"
#include "stdint.h"
#include "keyboard.h"
#include "io.h"
#include "print.h"#define KB_BUF_PORT 0x60#define esc '\033'
#define backspace '\b'
#define tab '\t'
#define enter '\r'
#define delete '\177'#define char_invisible 0
#define ctrl_l_char char_invisible
#define ctrl_r_char char_invisible
#define shift_l_char char_invisible
#define shift_r_char char_invisible
#define alt_l_char char_invisible
#define alt_r_char char_invisible
#define caps_lock_char char_invisible#define shift_l_make 0x2a
#define shift_r_make 0x36
#define alt_l_make 0x38
#define alt_r_make 0xe038
#define alt_r_break 0xe0b8
#define ctrl_l_make 0x1d
#define ctrl_r_make 0xe01d
#define ctrl_r_break 0xe09d
#define caps_lock_make 0x3astatic bool ctrl_status, alt_status, caps_status, shift_status, ext_scancode;char keymap[][2] = {/* 0x00 */ {0, 0},/* 0x01 */ {esc, esc},/* 0x02 */ {'1', '!'},/* 0x03 */ {'2', '@'},/* 0x04 */ {'3', '#'},/* 0x05 */ {'4', '$'},/* 0x06 */ {'5', '%'},/* 0x07 */ {'6', '^'},/* 0x08 */ {'7', '&'},/* 0x09 */ {'8', '*'},/* 0x0A */ {'9', '('},/* 0x0B */ {'0', ')'},/* 0x0C */ {'-', '_'},/* 0x0D */ {'=', '+'},/* 0x0E */ {backspace, backspace},/* 0x0F */ {tab, tab},/* 0x10 */ {'q', 'Q'},/* 0x11 */ {'w', 'W'},/* 0x12 */ {'e', 'E'},/* 0x13 */ {'r', 'R'},/* 0x14 */ {'t', 'T'},/* 0x15 */ {'y', 'Y'},/* 0x16 */ {'u', 'U'},/* 0x17 */ {'i', 'I'},/* 0x18 */ {'o', 'O'},/* 0x19 */ {'p', 'P'},/* 0x1A */ {'[', '{'},/* 0x1B */ {']', '}'},/* 0x1C */ {enter, enter},/* 0x1D */ {ctrl_l_char, ctrl_l_char},/* 0x1E */ {'a', 'A'},/* 0x1F */ {'s', 'S'},/* 0x20 */ {'d', 'D'},/* 0x21 */ {'f', 'F'},/* 0x22 */ {'g', 'G'},/* 0x23 */ {'h', 'H'},/* 0x24 */ {'j', 'J'},/* 0x25 */ {'k', 'K'},/* 0x26 */ {'l', 'L'},/* 0x27 */ {';', ':'},/* 0x28 */ {'\'', '"'},/* 0x29 */ {'`', '~'},/* 0x2A */ {shift_l_char, shift_l_char},/* 0x2B */ {'\\', '|'},/* 0x2C */ {'z', 'Z'},/* 0x2D */ {'x', 'X'},/* 0x2E */ {'c', 'C'},/* 0x2F */ {'v', 'V'},/* 0x30 */ {'b', 'B'},/* 0x31 */ {'n', 'N'},/* 0x32 */ {'m', 'M'},/* 0x33 */ {',', '<'},/* 0x34 */ {'.', '>'},/* 0x35 */ {'/', '?'},/* 0x36 */ {shift_r_char, shift_r_char},/* 0x37 */ {'*', '*'},/* 0x38 */ {alt_l_char, alt_l_char},/* 0x39 */ {' ', ' '},/* 0x3A */ {caps_lock_char, caps_lock_char}
};static void intr_keyboard_handler(void) {bool ctrl_down_last = ctrl_status;bool shift_down_last = shift_status;bool caps_lock_last = casps_lock_status;bool break_code;uint16_t scancode = inb(KB_BUF_PORT);//判断是不是为多余字符，是的话马上退出处理下一个if (scancode == 0xe0) {ext_scancode = true;return;}//如果上次以0xee0开头，则合并通码，并去除ext_scancode标志if (ext_scancode) {scancode |= 0xe000;ext_scancode = false;}//获取break codebreak_code = ((scancode & 0x0080) != 0);//如果是断码，对ctrl和shift和alt进行状态判断if (break_code) {uint16_t make_code = (scancode &= 0xff7f);if (make_code == ctrl_l_make || make_code == ctrl_r_make) {ctrl_status = false;}else if (make_code == shift_l_make || make_code == shift_r_make) {shift_status = false;}else if (make_code == alt_l_char || make code == alt_r_make) {alt_status = false;}return;}//如果为通码else if ((scancode > 0x00 && scancode < 0x3b) ||scancode == alt_r_make || scancode == ctrl_r_make) {bool shift = false;if ((scancode < 0x0e) || (scancode == 0x29) || (scancode == 0x1a) || (scancode == 0x1b)|| (scancode == 0x2b) || (scancode == 0x27)|| (scancode == 0x28) || (scancode == 0x33)|| (scancode == 0x34) || (scancode == 0x35)) {if (shift_down_last) {shift = true;}}else {if (shift_down_last && caps_lock_last) {shift = false;}else if (shift_down_last || caps_lock_last) {shift = true;}else {shift = false;}}uint8_t index = (scancode &= 0x00ff);char cur_char = keymap[index][shift];if (cur_char) {put_char(cur_char);return;}if (scancode == ctrl_l_make || scancode == ctrl_r_make) {ctrl_status = true;}else if (scancode == shift_l_make || scancode == shift_r_make) {shift_status = true;}else if (scancode == alt_l_char || scancode == alt_r_make) {alt_status = true;}else if (scancode == caps_lock_make) {caps_lock_status = !caps_lock_status;}} else {put_str("unknown key\n");}}void keyboard_init() {put_str("keyboard_init start\n");register_intr(0x21, intr_keyboard_handler, "keyboard");put_str("keyboard_init done\n");
}四，环形输入缓冲区
我们知道，操作键盘通常是为了和系统交互，而和系统交互一般都是写入某些shell指令，而这些shell指令需要用一个缓冲区存入起来，当形成一个完整的命令时，再一并由其他模块处理。
① 生产者消费者模型
对于缓冲区我们要有以下几个认识：
- 缓存数据
- 公共区域，多个线程同时使用该空间，需要对存取操作进行上锁
- 数据可能存在存满和取空两种状态
线程之间要相互合作，存在资源共享问题。对此我们便使用由Dijkstra提出的生产者消费者模型
生产者消费者模型是什么，我不太想用学术的语言来介绍，我在此来举个例子：
以前去吃过KFC的同学应该都了解，吃KFC的时候是需要排队的，那么此时我们把服务员当作生产者(就当作他又做饭又服务吧)，备餐口就是缓冲区，而顾客则是消费者
① 当客流量比较少时，供大于求，服务员做好一大堆汉堡放在备餐区，当餐做满时便停下来休息并告诉顾客：”新鲜的汉堡做好了，来取餐嘞“（唤醒消费者)，休息的顾客听到了便来到备餐区取餐
② 当客流量中等时，供等于求，只要服务员看到备餐口有空位，马上开始忙活起来。
③ 当客流量很大时，供不应求，餐取完的时候，顾客便会在等待队列中等待，并催促服务员：“搞快点咯，肚子饿了“(唤醒生产者)，摸鱼的服务员便会快马加鞭的做汉堡。
总结：对于有限大小的公共缓冲区，同步生产者和消费者的运行，对共享缓冲区互斥访问，并不会过度消费和过度生产，这便是生产者消费者模型，
以及疯狂星期四KFCV50😋
② 环形缓冲区实现
其实线形的缓冲区也是OK的，怎么设计因人而异，我这里用队列来实现一个环形缓冲区，环形缓冲区的本质就是没有起始地址，没有终止地址，很简单我们直接开始吧。
device/ioqueue.h
#ifndef _DEVICE_IOQUEUE_H
#define _DEVICE_IOQUEUE_H
#include "stdint.h"
#include "thread.h"
#include "sync.h"#define bufsize 64 //一个缓冲区的大小struct ioqueue {struct lock lock;struct task_struct* producer;struct task_struct* consumer;char buf[bufsize];int32_t head; //生产是头指针移动int32_t tail; //消费时尾指针移动
};void ioqueue_init(struct ioqueue* ioq);
int32_t next_pos(int32_t pos);
bool ioq_full(struct ioqueue* ioq);
bool ioq_empty(struct ioqueue* ioq);
void ioq_wait(struct task_struct** waiter);
void ioq_wakeup(struct task_struct** waiter);
char ioq_getchar(struct ioqueue* ioq);
void ioq_setchar(struct ioqueue* ioq, char byte);
#endif // ! _DEVICE_IOQUEUE_H
device/ioqueue.c
#include "debug.h"
#include "ioqueue.h"
#include "interrupt.h"void ioqueue_init(struct ioqueue* ioq) {lock_init(&ioq->lock);ioq->producer = ioq->consumer = NULL;ioq->head = ioq->tail = 0;
}int32_t next_pos(int32_t pos) {return (pos + 1) % bufsize;
}bool ioq_full(struct ioqueue* ioq) {ASSERT(intr_get_status() == INTR_OFF);return (ioq->tail - ioq->head) == 1;
}bool ioq_empty(struct ioqueue* ioq) {ASSERT(intr_get_status() == INTR_OFF);return ioq->head == ioq->tail;
}//使当前的生产者或消费之在缓冲区上等待
void ioq_wait(struct task_struct** waiter) {ASSERT(*waiter == NULL && waiter != NULL);*waiter == running_thread();thread_block(TASK_BLOCKED);
}//唤醒生产者或消费者
void ioq_wakeup(struct task_struct** waiter) {ASSERT(*waiter != NULL);thread_unblock(*waiter);*waiter = NULL;
}char ioq_getchar(struct ioqueue* ioq) {//先判断是否关闭中断ASSERT(intr_get_status() == INTR_OFF);//判断是否为空，如果为空消费者需要休眠等待while (ioq_empty(ioq)) {try_lock(&ioq->lock);ioq_wait(&ioq->consumer);try_release(&ioq->lock);}//获取buf中的数据char ch = ioq->buf[ioq->tail];ioq->tail = next_pos(ioq->tail);if (ioq->producer != NULL) {ioq_wakeup(&ioq->producer);}return ch;
}void ioq_setchar(struct ioqueue* ioq, char byte) {//先判断是否关闭中断ASSERT(intr_get_status() == INTR_OFF);//判断是否满缓冲区，如果满了生产需要休眠等待while (ioq_full(ioq)) {try_lock(&ioq->lock);ioq_wait(&ioq->producer);try_release(&ioq->lock);}//获取buf中的数据ioq->buf[ioq->head]=byte;ioq->head = next_pos(ioq->head);if (ioq->consumer != NULL) {ioq_wakeup(&ioq->consumer);}return byte;
}然后我们完善一下键盘操作
device/keyboard.c
struct ioqueue ioqueue;void keyboard_init()
{put_str("keyboard init start\n");register_handler(0x21, intr_keyboard_handler);init_ioqueue(&ioqueue);put_str("keyboard init done\n");
}
void intr_keyboard_handler(void)
{
//......if (cur_char){if (!ioq_full(&ioqueue))ioq_putchar(&ioqueue, cur_char);return;}
//......
}接下来我们让两个内核线程变成消费者
kernel/main.c
#include "print.h"
#include "init.h"
#include "debug.h"
#include "thread.h"
#include "console.h"
#include "keyboard.h"
#include "ioqueue.h"
#include "interrupt.h"void g_thread(void* arg);
void g_thread2(void* arg);
void main(void) {put_str("Hello GeniusOS\n");put_int(2023);put_str("\n");init_all();thread_start("genius", 5, g_thread, "A_");thread_start("genius2", 31, g_thread2, "B_");intr_enable();while (1) {//console_put_str("Main ");}
}void g_thread(void* arg) {while (1) {enum intr_status old_status = intr_disable();if (!ioq_empty(&kbd_buf)) {console_put_str(arg);char byte = ioq_getchar(&kbd_buf);console_put_char(byte);console_put_char(' ');}intr_set_status(old_status);}
}void g_thread2(void* arg) {while (1) {enum intr_status old_status = intr_disable();if (!ioq_empty(&kbd_buf)) {console_put_str(arg);char byte = ioq_getchar(&kbd_buf);console_put_char(byte);console_put_char(' ');}intr_set_status(old_status);}
}改一下makefile，运行一下，当你敲下键盘，且字符在屏幕上显示，这就代表你成功了，恭喜你！！！完成本章任务!!!