操作系统课程设计任务指导书Word格式文档下载.docx
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最简单的情形是strace执行指定的命令直至命令退出，它可以拦截并记录系统调用信息（包括系统调用名、系统调用参数、系统调用返回值），详细的信息可以参看man手册。
下面演示一个用strace追踪拷贝文件命令cp的例子，执行下面命令：
$stracecpwj1.txtwj5.txt
执行结果的输出包含许多我们不关心的信息，所以我们只列出应该注意的部分：
open（"
wj1.txt"
O_RDONLY|O_LARGEFILE）=3
wj5.txt"
O_WRONLY|O_CREAT|O_LARGEFILE,0100644）=4
read（3,"
abcde\n"
4096）=6
write（4,"
6）=6
"
4096）=0
close（4）=0
close（3）=0
我们看到每一项的格式是统一的：
系统调用名系统调用参数返回值
Strace命令有许多选项，其中–c选项特别有用，它能统计系统调用的相关数据，其中包括调用次数，多少次出错返回，系统调用的耗费时间等。
下面是示例产生的结果：
$strace-ccpwj1.txtwj5.txt
%timesecondsusecs/callcallserrorssyscall
------------------------------------------------------------
78.910.00325218118open
21.090.0008698691execve
0.000.000000017read
0.000.00000001write
0.000.000000019close
0.000.000000021access
0.000.00000003brk
0.000.00000006munmap
0.000.00000003mprotect
0.000.000000028mmap2
0.000.00000003stat64
0.000.000000016fstat64
0.000.00000001geteuid32
0.000.00000001set_thread_area
100.000.0041211191total
time命令可以累计一个程序的运行时间。
格式如下：
time[options]command[arguments...]
time在命令command执行结束时在标准错误输出中输出该命令的用时情况，其结果包含下面三项：
1）实际时间（realtime）:
从command命令行开始执行到结束经历的时间；
2）用户CPU时间（userCPUtime）:
命令执行所占的用户态时间；
3）系统CPU时间（systemCPUtime）:
命令执行所占的核心态时间（系统调用时间）。
其中，用户CPU时间和系统CPU时间之和为命令占用CPU执行的时间总和。
一般说来，实际时间要大于CPU时间，因为comand可能和其他进程交替执行。
下面是一个具体例子，测试ls命令递归列出当前目录内容所用时间。
$timels-R
执行结果如下：
.......（ls命令结果略）
real0m2.612s
user0m0.080s
sys0m2.524s
值得提醒的是，依赖于操作系统的计时机制，time命令本身不一定很精确；
此外，command的执行时间依赖于环境，所以同一命令执行多次结果也可能不同，一个比较合理的做法是一个命令执行多次然后取平均值。
mmap介绍
mmap指memory-mapped（存储映射），其将文件内容映射到进程地址空间，相比传统方法而言，往往能够减少系统调用和内容拷贝次数，从而提高性能。
其函数原型如下：
void*mmap（void*addr,size_tlen,intprot,intflags,intfd,off_toffset）;
函数的返回值为最后文件映射到进程空间的地址，进程可直接操作起始地址为该值的有效地址。
参数addr指定文件应被映射到进程空间的起始地址，一般被指定一个空指针，此时选择起始地址的任务留给内核来完成（参见flags的说明）。
参数fd为即将映射到进程空间的文件描述字，一般由open（）返回，同时，fd可以指定为-1，此时须指定flags参数中的MAP_ANON，表明进行的是匿名映射。
len是映射到调用进程地址空间的字节数，它从被映射文件开头offset个字节开始算起。
prot参数指定共享内存的访问权限。
可取如下几个值的或：
PROT_READ（可读）,PROT_WRITE（可写）,PROT_EXEC（可执行）,PROT_NONE（不可访问）。
flags由以下几个常值指定：
MAP_SHARED,MAP_PRIVATE,MAP_FIXED，其中，MAP_SHARED,MAP_PRIVATE必选其一，而MAP_FIXED则不推荐使用。
offset参数一般设为0，表示从文件头开始映射。
下面给出一个使用mmap输出文件内容的例子：
#include<
stdio.h>
stdlib.h>
sys/mman.h>
sys/types.h>
sys/stat.h>
fcntl.h>
intmain（intargc,char*argv[]）
{
intsrc;
char*sm;
structstatstatbuf;
size_tfz;
if（argc!
=2）
{
fprintf（stderr,"
Usage:
%s<
sourcefile>
\n"
argv[0]）;
exit（EXIT_FAILURE）;
}
if（（src=open（argv[1],O_RDONLY））<
0）
perror（"
opensource"
）;
if（fstat（src,&
statbuf）<
0）
fstatsource"
fz=statbuf.st_size;
sm=mmap（0,fz,PROT_READ,
MAP_PRIVATE|MAP_NORESERVE,src,0）;
if（MAP_FAILED==sm）
perror（"
mmapsource"
while（fz）{
putchar（*sm++）;
fz--;
return（EXIT_SUCCESS）;
}
任务二实现一个简单的shell
本任务主要目的在于学会如何在Unix系统下创建进程和管理进程，了解shell工作的基本原理。
实现一个简单的shell（命令行解释器），类似于sh,bash,csh等。
你的shell必须支持以下内部命令
cd<
目录>
更改当前的工作目录到另一个<
。
如果<
未指定，输出当前工作目录。
不存在，应当有适当的错误信息提示。
这个命令应该也能改变PWD的环境变量。
environ列出所有环境变量字符串的设置（类似于Unix系统下的env命令）。
echo<
内容>
显示echo后的内容且换行
help简短概要的输出你的shell的使用方法和基本功能。
jobs输出shell当前的一系列子进程，必须提供子进程的命名和PID号。
quit,exit,bye退出shell。
所有的内部命令应当优先于在$PATH中同名的程序。
任何非内部命令必须请求shell创建一个新进程,且该子进程执行指定的程序。
这个新进程必须继承shell的环境变量和指定的命令行参数。
Shell应当具有以下特征：
BatchProcessing如果shell启动带有一个文件名作为参数，打开该文件并执行文件里所有命令。
待所有进程全部结束退出shell。
该功能类似于shell的交互模式。
Debugging提供-v选项，shell启动时打开此选项将在运行过程中输出若干调试信息。
在该种模式下，shell应该显示所有被创建了的进程的PID号，通报已结束的子进程和传递给子进程的参数等。
Prompt（命令行提示符）解释器应该打印$PS2（而不是$PS1）作为提示符。
Backgroundprocessing如果命令以符号&
终止，在后台并发执行该程序。
shell立即等待下一命令行的输入，而不等待该程序的结束。
Redirect（重定向）该功能选做
Pipe（管道）该功能选做
你可假定所有的命令和参数由空格或tab符分开。
相关知识介绍
shell的主体就是反复下面的循环过程
while
（1）{
接收用户输入的命令行；
解析命令行；
if（用户命令为内部命令）
直接处理；
elseif（用户命令为外部命令）
创建子进程执行命令；
else
提示错误的命令；
创建子进程要使用fork（）函数,执行新的命令要使用exec（）系列函数，通常shell是等待子进程结束后再接受用户新的输入，这可以使用waitpid（）函数。
下面是一个完整的示例：
unistd.h>
sys/wait.h>
intmain（void）
pid_tpid;
if（（pid=fork（））<
0）{
printf（"
forkerror\n"
）;
exit（EXIT_FAILURE）;
}elseif（pid==0）{/*childprocess*/
if（execl（"
/bin/ls"
"
ls"
-l"
（char*）0）<
execlerror\n"
waitpid（pid,0,0）;
/*waitforchildprocess*/
exit（0）;
Fork（）原型如下：
pid_tfork（void）;
fork建立一个子进程，父进程继续运行，子进程在同样的位置执行同样的程序。
对于父进程，fork（）返回子进程的pid,对于子进程，fork（）返回0。
出错时返回-1。
Exec系列有6个函数，原型如下：
externchar**environ;
intexecl（constchar*path,constchar*arg,...）;
intexeclp（constchar*file,constchar*arg,...）;
intexecle（constchar*path,constchar*arg,...,char*constenvp[]）;
intexecv（constchar*path,char*constargv[]）;
intexecve（constchar*filename,char*constargv[],char*constenvp[]）;
intexecvp（constchar*file,char*constargv[]）;
exec系列函数用新的进程映象置换当前的进程映象.这些函数的第一个参数是待执行程序的路径名（文件名）.这些函数调用成功后不会返回,其进程的正文（text）,数据（data）,bss和堆栈（stack）段被待执行程序程序覆盖。
但是进程的PID和所有打开的文件描述符没有改变,同时悬挂信号被清除，信号重置为缺省行为.
在函数execl,execlp,和execle中,constchar*arg以及省略号代表的参数可被视为arg0,arg1,...,argn.他们合起来描述了指向NULL结尾的字符串的指针列表,即执行程序的参数列表.作为约定,第一个arg参数应该指向执行程序名自身,参数列表必须用NULL指针结束.
execv和execvp函数提供指向NULL结尾的字符串的指针数组作为新程序的参数列表.作为约定,指针数组中第一个元素应该指向执行程序名自身.指针数组必须用NULL指针结束。
execle函数同时说明了执行进程的环境（environment）,他在NULL指针后面要求一个附加参数,NULL指针用于结束参数列表,或者说,argv数组.这个附加参数是指向NULL结尾的字符串的指针数组,他必须用NULL指针结束。
其他函数从当前进程的environ外部变量中获取新进程的环境.
execlp和execvp可根据path搜索合适的程序运行，其他则需要给出程序全路径。
Execve（）类似execv（），但是加上了环境的处理。
Wait（）,waitpid（）
可用来等待子进程结束。
函数原型：
pid_twait（int*stat_loc）;
pid_twaitpid（pid_tpid,int*stat_loc,intoptions）;
当进程调wait，它将进入睡眠状直到有一个子进程结束。
wait函数返回子进程的进程id，stat_loc中返回子进程的退出状态。
waitpid的第一个参数pid的意义：
pid>
0:
等待进程id为pid的子进程。
pid==0:
等待与自己同组的任意子进程。
pid==-1:
等待任意一个子进程
pid<
-1:
等待进程组号为-pid的任意子进程。
因此，wait（&
stat）等价于waitpid（-1,&
stat,0）
waitpid第三个参数option可以是0，WNOHANG,WUNTRACED或这几者的组合。
任务三进程/线程同步
本任务主要目的练习UNIX/LINUX同步编程，熟悉基本的线程相关API。
编程实现下图的效果，要求分别使用进程和线程
（1）进程＋SYSV信号量
（2）线程实现+Posix同步操作API
无论进程形式还是线程形式，进程/线程pi的主体反复输出下面语句：
Iamprocess（orthread）pi
执行次数取必须保证进程并发情况的发生（比如p3和p4的交迭运行），大家自行调整。
必须保证parbegin（p1（）,p2（）,……,p6（））并发形式的充分发生,一个典型的输出系列如下：
Iamthread1
.....
Iamthread3
Iamthread2
Iamthread4
Iamthread3
Iamthread5
Iamthread4
Iamthread6
.....
SYSV信号量API介绍
SystemV信号量最早为SystemV操作系统实现，故而得名。
Linux也支持SystemV信号量，SystemV信号量的函数主要有下面几个.
sys/ipc.h>
sys/sem.h>
intsemget（key_tkey,intnsems,intsemflg）;
semget调用成功时返回信号量组ID（可能已经存在或通过创建新的），否则返回值为-1。
key是一个关键字,可以是用ftok（）函数创建的也可以是IPC_PRIVATE表明由系统选用一个关键字。
nsems是这个信号量组中信号量的数量。
semflg是创建的权限标志，本设计中要用到IPC_CREAT。
intsemctl（intsemid,intsemnum,intcmd,.../*unionsemunarg*/）;
semctl对信号量进行一系列的控制。
semid是要操作的信号量组ID,semnum是信号量组的下标，指明待操作的具体信号量,cmd是操作的命令。
经常用的两个值是:
SETVAL（设置信号量的值）和IPC_RMID（删除信号量）。
arg是一个根据cmd的设置参数。
intsemop（intsemid,structsembuf*spos,intnspos）;
structsembuf{
shortsem_num;
/*在信号量组中的下标（0,1,...,nsems-1），表明对哪一个信号量操作*/
shortsem_op;
/*进行什么操作*/
shortsem_flg;
/*操作的标志，有IPC_NOWAIT,SEM_UNDO等*/
};
semop是对信号组进行操作的函数。
semid是信号量组ID,spos是一个操作数组,nspos表明操作数组的大小。
如果sem_op大于0,那么操作将sem_op加入到信号量的值中。
如果为0,当信号量的值是0的时候,函数返回,否则阻塞直到信号量的值为0。
如果小于0,函数判断信号量的值加上这个负值。
如果结果为0唤醒等待信号量为0的进程,如果小与0函数阻塞。
如果大于0,那么从信号量里面减去这个值并返回。
如果IPC_NOWAIT被设置，上面操作不满足时立即返回。
注意，semop是原子操作，也即操作数组不可能部分完成时semop就返回，要么彻底失败，要么全部完成。
函数操作成功时返回0。
本任务中可以先使用semget（）创建信号量，然后使用semctl（）设置信号量初值，然后通过semop（）对信号量操作。
Posix线程编程介绍
下面只是一个简单的介绍，更详细的信息请查阅相关资料。
POSIX通过pthread_create（）函数创建线程，API定义如下：
intpthread_create（pthread_t*thread,pthread_attr_t*attr,
void*（*start_routine）（void*）,void*arg）；
thread:
当pthread_create创建成功，*thread放入新创建的线程ID。
attr:
可用来定义线程的某些属性,本任务缺省的线程属性是适用的，只需将该参数设为NULL。
第三个参数start_routine是新线程启动时调用的函数名。
当start_routine返回时，新线程将终止。
第四个参数arg用作start_routine的参数
/*filethread1.c*/
pthread.h>
void*thread_function（void*arg）{
inti;
for（i=0;
i<
20;
i++）{
Threadisrunning!
\n"
sleep
（1）;
returnNULL;
intmain（void）{
pthread_tmythread;
if（pthread_create（&
mythread,NULL,thread_function,NULL））{
errorcreatingthread."
abort（）;
if（pthread_join（mythread,NULL））{
errorjoiningthread."
注意main（）主体是主线程，当pthread_create（）创建线程后，系统就有两个线程，线程并发执行，绝对不能假定两者的相对执行次序。
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