操作系统实验指导书Vmware版.docx
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操作系统实验指导书Vmware版
操作系统实验指导书
青岛理工大学计算机工程学院
二零一一年九月
一、课程编号：
071235
二、适用专业：
计算机科学与技术专业、网络工程专业、软件工程专业
三、实验个数与学时：
4个实验，8学时
四、《操作系统实验》的目的
《操作系统》是一门重要的专业基础课，是涉及较多硬件知识的计算机系统软件课程。
在计算机软硬件课程的设置上，它起着承上启下的作用。
操作系统对计算机系统资源实施管理，是所有其他软件与计算机硬件的唯一接口，所有用户在使用计算机时都要得到操作系统提供的服务。
操作系统实验的主要任务是让学生掌握常用操作系统的安装方法，了解操作系统进程管理的基本内容，通过实验演示了解操作系统是如何进行进程管理的，为后期操作系统的课程设计奠定基础。
五、实验平台
在虚拟机Vmware上的Ubuntu11.10
实验1安装Linux操作系统
一、实验目的
在虚拟机Vmware上安装Unbuntu11.10操作系统，后续实验都将在此环境上进行。
通过实验，要求：
1、掌握在虚拟机上安装操作系统的方法；
2、学会安装Linux系统；
3、学会启动Linux系统；
4、学会在宿主机WindowsXP操作系统下，与虚拟机上安装的Ubuntu共享文件的方法。
二、实验内容
1、把ubuntu安装至虚拟机上。
●加载安装ubuntu操作系统的ISOIMG文件
●启动ubuntu虚拟机
●按提示安装Ubuntu操作系统
2、通过VmwareTools实现Windows与ubuntu之间的文件共享
1）先在Windows下建个共享文件夹，暂时取名叫share；
2）然后进入VMwareWorkstation软件主界面的菜单项VM进行设置：
①VM->setting->options->sharedfolders；
②单击Add按钮进入AddSharedFolderWizard向导进行共享文件夹的设定；
③在Name文本框内输入你为共享文件夹起的名称，在Hostfolder文本框中选定你在Windows下创建的共享文件夹share；
④然后设定指定共享文件夹的属性，选择Enablethisshare选项。
⑤选择finish，这样就完成了虚拟机中共享文件夹的设定。
3）进入虚拟机的下拉菜单VM->InstallVMwareTools...，出现一个对话框，单击“install”按钮；（前提条件是已经运行了虚拟机下的一个客户操作系统，即虚拟机上安装的Ubuntu操作系统已经启动了，否则虚拟机的VM->InstallVMwareTools...菜单将是不可选的）。
4）安装完毕后会在Linux的桌面上出现一个名为“VMwareTools”的光盘图标；
5）然后进入mnt/cdrom，把里面那个叫“VMwareTools-5.5.0-18463.tar.gz”的文件拷贝到opt下；
6）然后进入shell，用cd命令进入到opt文件夹下；
7）在命令行输入：
tarzxvfVMwareTools-5.5.0-18463.tar.gz回车（进行解压）；
8）再用cd命令进入到解压的文件里，在命令行输入：
./vmware-install.pl接着一路回车，就ok了。
9）等安装完毕后，可以查看mnt文件夹里面会多了一个叫“hgfs”的文件夹，这下面的文件夹里就可以放Windows与Linux需要共享的文件了。
VMwareTools-9.6.1-1378637.tar.gz
VMwareTools-9.6.1-1378637.tar.gz
实验2Linux系统中程序编辑、编译与调试工具
一、实验目的
1、熟悉使用Linux字符界面、窗口系统的常用命令。
2、熟悉运用Linux常用的编程工具。
3、掌握在Linux操作系统环境上编辑、编译、调试、运行一个C语言程序的全过程。
二、实验内容
1、熟悉开机后登录Linux系统和退出系统的过程；
2、掌握一种Linux的编辑器，特别是字符界面的vi工具的使用（详见VI简易使用手栅）；
3、掌握GCC编译器的基本用法（详见GCC使用手册及常用命令行）；
4、掌握GDB调试程序的方法（详见GDB调试程序手册）。
要求在实验报告上完整地进行一个数据结构中c程序的调试，源代码不能少于50行。
实验3进程并发与同步
一、实验目的
1、加深对进程概念的理解，区分进程并发执行与串行执行；
2、掌握进程并发执行的原理，理解进程并发执行的特点；
3、了解fork（）系统调用的返回值，掌握用fork（）创建进程的方法；熟悉wait、exit等系统调用；
4、能利用相应的系统调用实现进程树与进程间的同步。
二、实验内容
1、编写一C语言程序，实现在程序运行时通过系统调用fork（）创建两个子进程，使父、子三进程并发执行，父亲进程执行时屏幕显示“Iamfather”，儿子进程执行时屏幕显示“Iamson”，女儿进程执行时屏幕显示“Iamdaughter”。
要求多次连续反复运行这个程序，观察屏幕显示结果的顺序，直至出现不一样的情况为止。
要求有运行结果截图与结果分析
2、连续4个fork（）的进程家族树，family1-1.c程序清单如下：
#include
main（）
{
fork（）;
fork（）;
fork（）;
fork（）;
printf（“A\n”）;
}
请根据程序运行结果，画出进程家族树，并分析原因。
3、修改程序1，在父、子进程中分别使用wait、exit等系统调用“实现”其同步推进，父进程必须等待儿子进程与女儿进程结束，才可以输出消息。
写出相应的同步控制，并分析运行结果。
4、创建一个子进程，并给它加载程序，其功能是调用键盘命令“ls-l”，已知该键盘命令的路径与文件名为：
/bin/ls。
父进程创建子进程，并加载./child2程序。
写出相应的程序代码并分析程序运行结果。
三、系统调用
创建子进程系统调用：
fork（）
格式
intfork（）;
返回值
=0
创建成功，从子进程返回
>0
创建成功，从父进程返回，其值为子进程的PID号
=-1
创建失败
子进程创建时操作系统的工作：
✧检查同时运行的进程数目，若超过系统设定值，则创建失败，返回-1；
✧为子进程分配进程控制块task_struct结构，并赋予唯一进程标识符pid；
✧子进程继承父进程打开的所有文件及资源，对父进程的当前目录和所有已打开系统文件表项中的引用记数加1；
✧为子进程创建进程映像：
⏹创建子进程映像静态部分：
复制父进程映像静态部分
⏹创建子进程映像动态部分：
初始化task_struct结构
⏹结束创建，置子进程为内存就绪状态，插入就绪队列，作为一个独立的进程被系统调度。
✧若调用进程（父进程）返回，则返回创建的子进程标识符pid值（此时返回值>0）；
✧若子进程被调度执行，则将其U区计时字段初始化然后返回（此时返回值=0）。
进程睡眠系统调用：
sleep（）
格式
sleep（n）;
参数
n表示延时的秒数
功能
进程睡眠n秒
进程终止系统调用：
exit（status）
格式
voidexit（intstatus）;
参数
status是子进程向父进程发送的终止信息，父进程使用wait（）系统调用来接收这个信息
头文件
#include
功能
将进程置僵死状态
释放其所占有的资源
向父进程发本进程死信号，并发送信息status给父进程，将自己及自己的子进程运行CPU的时间总和留待父进程使用wait（）收集
子进程终止时操作系统做以下工作：
✧关闭软中断:
因为进程即将终止而不再处理任何软中断信号；
✧回收资源：
关闭所有已打开文件，释放进程所有的区及相应内存，释放当前目录及修改根目录的索引节点；
✧写记帐信息：
将进程在运行过程中所产生的记帐数据（其中包括进程运行时的各种统计信息）记录到一个全局记帐文件中；
✧置该进程为僵死状态:
向父进程发送子进程死的软中断信号，将终止信息status送到指定的存储单元中；
✧转进程调度:
因为此时CPU已经被释放，需要由进程调度进行CPU再分配。
父进程等待子进程终止系统调用：
wait（）与waitpid（）
格式1
pid_twait（[int*stat_addr,]0）;
参数
*stat_addr中存放exit（）所发来终止信号stat的值。
返回值
>=0
表示有子进程终止，其值为终止子进程的pid号
=-1
表示无子进程终止
头文件
#include
#include
功能
父进程使用它等待任意一个子进程终止，如果在执行wait（）之前已经有一个子进程结束了，则对其做善后处理，并返回子进程的pid号，如果没有则返回－1，该进程阻塞，插入等待子进程终止的队列，当有子进程终止时被唤醒。
在&stat_addr中保留了子进程僵死时的终止信息（不是返回值）。
注意：
一个wait（）只能用来等待一个子进程终止，如果等待多个子进程终止则需要使用多个wait（）。
格式2
pid_twaitpid（pid_tpid,int*stat_addr,intoptions）;
参数
pid=0
等待与父进程同组的子进程
pid=-1，options=0
等同于wait（），等待任意子进程
pid>0
等待给定pid号的子进程
功能
等待指定pid的子进程终止
说明：
1）若父进程仅仅只是等待任意一个子进程结束，而不需要取子进程发来的信号，则可以简单地使用wait（0）。
2）如果该进程没有创建自己的子进程就不能使用wait（）或waitpid（），否则系统会返回一个出错信息。
3）如果要取子进程执行exit（）后所发来的终止信号stat，可以使用*stat来取该变量中的值，而不能使用wait（）的返回值，因为wait（）的返回值是该终止子进程的pid号。
将指定的可执行文件加载到指定进程映像中，覆盖该进程中原有的程序
系统调用：
execl（）、execle（）、execlp（）、execv（）、execve（）与execvp（）
功能
将一个指定的程序装入调用它的进程的映像中，用这个可执行文件的副本去覆盖该进程的程序空间，从而改变调用进程的执行代码，使调用进程执行新引入的可执行程序（二进制代码文件）
内核在响应这组系统调用后做以下工作：
1）根据给出的路径名找到指定的可执行文件，检查该文件是否可执行，用户是否具有执行权限（该文件必须是编译连接后的二进制代码）。
2）将该文件载入到调用它的进程映像中覆盖其原来的程序。
3）为该程序的执行设置参数数组和环境变量。
4）启动该进程进入新的程序入口点去执行。
此组函数执行时，如果加载成功则直接执行，没有返回；若加载不成功则返回-1。
格式1
execv（file,argv）
参数
char*file
指向文件全名（路径名/文件名）的指针
char*argv[n]
指向命令及参数的指针
功能
1）执行参数指定的命令或文件。
2）用该命令或可执行文件的副本覆盖调用它的子进程的映像
返回值
=-1
表示错误返回
头文件
#include
格式2
execl（“路径名/文件名”,0）
说明
功能、返回值、头文件均同格式1
使用方法：
1）事先准备好子进程要执行的程序，并将它编译连接成可执行文件，记下该文件的路径名和文件名。
如果不带参数则可以直接使用execl（），带参数则使用execv（）。
2）在父进程创建子进程之前，在程序中事先定义子进程要执行的程序文件的文件标识符path和参数数组argv[]，其中的环境值可以用NULL取代。
如果不带参数使用execl（），则这一步可以不做。
3）创建子进程后，在子进程的分支中，如果不带参数使用execl（filepath,0），如果带参数则使用execv（filepath,argv）来实现用指定的程序filepath覆盖子进程映像中原有的程序。
实验4进程通信
一、实验目的
1、加深理解进程通信的方法与原理；
2、掌握如何利用管道机制、消息缓冲队列、共享存储区机制进行进程间的通信。
二、实验内容
1、了解系统调用pipe（）、msgget（）、msgsnd（）、msgrcv（）、msgctl（）、shmget（）、shmat（）、shmdt（）、shmctl（）的功能和实现过程。
2、编写一C语言程序，使其用管道来实现父子进程间通信。
子进程向父进程发送字符串“issendingamessagetoparent!
”；父进程则从管道中读出子进程发来的消息，并将其显示到屏幕上，然后终止。
3、运行该程序，观察、记录并简单分析其运行结果。
三、有名管道、无名管道系统调用
1、创建无名管道的系统调用
创建无名管道的系统调用：
pipe（）
格式
intpipe（int管道名[2]）;
返回值
0
正确返回
1
错误返回
参数说明
管道名[1]：
为写入端
管道名[2]：
为读出端
功能
创建一个管道名为指定名称的无名管道，以便于创建管道的进程及其子孙进程共享
头文件
include
●当进程向管道中写时，数据就复制不予考虑了共享的数据页；
●从管道中读时，字节从共享页中按照FIFO的顺序复制出来。
●当所有进程完成管道的操作后，管道的i结点和共享数据页被释放。
2、读写管道的系统调用
读写管道的系统调用：
write（）、read（）
格式
write（管道名[1],buf,size）
read（管道名[0],buf,size）
参数说明
buf：
程序中定义的字符型数组或缓冲区；
size：
读写的信息长度
说明
管道为临界资源，父子进程之间除了需要读写同步以外，在对管道进行读写操作时还需要互斥进入。
为了保证管道操作过程中不至于因为用户的疏忽而死锁，Linux采用以下措施来避免死锁：
●当进程因读或写等待时，要检查管道的另一端是否已经关闭，如果发现对方已经关闭则直接返回，不再等待。
●当进程关闭管道时，要检查管道的另一端是否正处于等待状态，如果是，则要先唤醒对方，然后再关闭管道。
●如果进程需要实现互斥，因为管道是文件，可以使用对文件上锁和开锁的系统调用。
3、文件上锁、开锁系统调用
文件上锁、开锁系统调用：
lockf（）
格式
lockf（files,function,size）
参数说明
files
是需要加以封锁的文件描述符，此处可以是管道的读写端口
function
为1表示上锁，为0表示开锁
size
表示锁定或开销的字节数，其值为0则表示文件全部内容
4、命名管道创建系统调用
命名管道创建系统调用：
mkfifo（）
格式
intmkfifo（constchar*pathname,mode_tmode）;
功能
专门用于创建FIFO
参数说明
mode
权限值，如0777表示所有用户都可读、可写、可执行
返回值
正确返回0，错误返回-1.
头文件
#include
#include
mknod用于创建一般的设备文件
四、Linux消息缓冲通信的系统调用
1、创建一个消息队列或获取已存在消息队列的标识
创建消息队列/获取已存在消息队列的系统调用：
msgget（）
命令格式
intmsgget（key_tkey,intmsgflag）;
功能
创建标识为key值的消息队列或者获取已存在的消息队列的描述符msgid
返回值
正确返回该消息队列的描述符msgid；
错误返回－1。
语句格式
msgid=msgget（key,msgflag）；
参数说明
msgqid
该系统调用返回的消息队列描述符，-1表示失败；
key
用户指定的消息队列标识符，为一正整数，其值可以由用户指定，如果使用IPC_PRIVATE则由系统产生key值；
flag
用户设置的标志或访问方式，其值由操作权限和控制命令进行或运算得到
头文件
#include
#include
操作允许权八进制数
操作允许权八进制数
用户可读0400
用户可写0200
小组可读0040
小组可写0020
其他可读0004
其他可写0002
控制命令值
IPC_CREAT（创建）0001000
2、发送一条消息到指定的消息队列
发送一条消息到指定的消息队列系统调用：
msgsnd（）
命令格式
intmsgsnd（intmsgid,structmsgbuf*msgp,intsize,intflag）;
功能
发送一个消息给指定描述符的消息队列。
将msgp所指向的msgbuf中的消息复制到消息数据结构并挂到指定消息队列尾，唤醒等待消息的进程
参数说明
msgqid
执行msgget（）返回的消息队列的描述符
msgp
指向用户存储区的一个消息缓冲msgbuf的指针，在msgbuf中包含消息类型和消息正文
size
由msgp指向的数据结构中字符数组的长度（消息长度）
flag
规定当核心用尽内部空间时应执行的动作。
例如：
若在flag中设置了IPC_NOWAIT，则当消息队列中的字节数超过最大值msgsnd立即返回，否则msgsnd睡眠。
flag可置0。
头文件
#include
#include
3、从消息队列接收消息
从消息队列接收消息的系统调用：
msgrcv（）
命令格式
intmsgrcv（intmsgid,structmsgbuf*msgp,intsize,inttype,intflag）;
功能
从指定的消息队列接收一个消息。
将消息复制到msgp所指的msgbuf中，从消息队列中删除此消息，若消息未到则调用进程阻塞，并将该进程插入等待消息队列尾。
参数说明
msgid
消息队列描述符；
msgp
用来存放要接收消息的用户msgbuf的地址；
size
msgp中数据数组的大小；
type
用户要读取的消息类型
=0表示接收队列的第一个消息；
>0表示接收类型type的第一个消息；
<0表示接收小于或等于|type|的最低类型的第一个消息
flag
规定若该队列无消息，操作系统核心应当做什么，可设置为0.
头文件
#include
#include
4、对消息队列的操作
对消息队列操作的系统调用：
msgctl（）
命令格式
intmsgctl（intmsgid,intcmd,structmsgid_ds*buf）;
功能
查询一个消息队列的状态；设置或修改它的状态；撤消一个消息队列
返回值
函数调用成功返回0；不成功返回-1.
参数说明
msgid
该消息队列的描述符；
cmd
规定命令的类型
●IPC_STAT查询消息队列状态，将与msgid相关联的消息队列首标读入buf；
●IPC_SET设置或修改消息队列状态，设置有效用户、组标识、操作允许权，及字节数；
●IPC_RMID撤消描述符为msgid的消息队列；
buf
含有控制参数或查询结果的用户缓冲区的地址，可设置为0
头文件
#include
#include
注意：
设置和撤消消息队列的进程需要有一定的权限，如超级用户、具有有效用户ID、符合msg_perm权限设置等。
四、共享内存通信的系统调用
1、创建或获取一个共享内存
创建/获取一个共享内存的系统调用：
shmget（）
命令格式
shmget（key,size,flag）;
功能
获得一个内部标识为shmid的共享存储区
说明
该函数创建的共享内存区域并没有立即分配物理内存，而是创建一个文件对象shm_file来描述该区域。
Shm_file文件并不属于磁盘文件，而是由内存页面组成，因此当系统亲面时，其中的内容也随之消失。
语句格式
intshmid=intshmget（key_tkey,intsize,intflag）;
参数说明
key
共享存储区关键字，可以由用户指定，如果使用IPC_PRIVATE，则其值由系统产生。
size
存储区的大小（字节数）。
如果存储区定义为字符型，则大小为定义的字符个数；如果存储区定义为整型，大小可以使用sizeof（int）加以定义。
flag
用户设置的标志或访问方式，与消息缓冲shmget中的含义相同。
可以使用066|IPC_CREAT，表示任意进程可读可写。
返回值
正确时返回共享存储区的内部标识符shmid，错误时返回-1。
头文件
#include
#include
2、将共享内存附接到进程的虚拟地址空间
将共享内存附接到进程虚拟地址空间的系统调用：
shmat（）
命令格式
字符型共享内存
shmat（intshmid,char*shmaddr,intmsgflg,ulong*raddr）;
数值型共享内存
shmat（intshmid,int*shmaddr,intmsgflg,ulong*raddr）;
功能
逻辑上将内部标识符为shmid的共享存储区附接到进程的虚拟地址空间shmaddr
语句格式
字符型共享内存
viraddr=（char*）shmat（shmid,shmaddr,shmflag）;
数值型共享内存
viraddr=（int*）shmat（shmid,shmaddr,shmflag）;
参数说明
shmid
共享存储区的描述符，可以由shmget（）的返回值得到。
shmaddr
用户提供的共享存储区附接的虚地址。
若shmaddr为0，则由系统选择一个适当的地址来附接该存储区。
shmflag
规定了对该存储区的操作权限，以及系统是否要对用户规定的地址执行舍去操作。
如果shmflag中设置了SHM_RND，则表示操作系统在必要时舍去这个地址；如果设置SHM_RDONLY则表示只允许读，shmflag为0表示可读可写。
viraddr
附接的虚地址。
若定义为char*viraddr，则该共享内存作为字符存储区使用；若定义为int*viraddr，则该共享内存作为整型存储区使用。
返回值
正确时返回共享存储区附接后的虚地址，错误时返回-1。
头文件
#include
升级会员 