操作系统实验指导书3rd.docx
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操作系统实验指导书3rd
版本号：
3.0
撰写人：
孙自广
合整理：
陈波（博士）
欧阳浩
日期：
2011-09-08
操作系统实验指导书
（第3版）
广西工学院计算机工程系
2011年09月
前言
操作系统是计算机科学与技术专业（软件工程方向）的一门非常重要的专业课程，操作系统是应用软件与底层硬件的桥梁。
通俗的说“只有搞懂了操作系统，才能真正理解计算机”。
学好操作系统课程可以提升学生应用计算机解决问题的能力，并获得开发大型复杂软件的经验。
操作系统至关重要，但学好它并不容易。
虽然Windows界面友好，方便使用，但是底层运行机制被有效的隐藏，在很多人眼里计算机还是一个黑匣子。
在选择教学用操作系统上颇费苦心，目前可用于教学的操作系统有Minix,Nochos,Geekos,JOS，FreeBSD等，而Linux不仅是开源的，而且资料丰富并拥有大量的应用软件，所有我们选择了Linux作为实验的平台。
本实验指导书参阅了很多网上的优秀资源，在此对提供这些资源的整理，表示感谢。
实验1Linux的安装与使用
1.实验目的
在做本课程系列实验之前需要先安装Linux系统。
如果你的计算机上已经安装了Linux，则本实验可以不做。
熟悉Linux提供的图形用户界面。
2.实验预备知识
Linux系统的安装方法和图形界面基本操作请参考相关资料。
3.实验内容
（1）在虚拟机软件VMWare上安装Linux操作系统，版本是RedHatLinux9。
（2）进入Linux的资源管理器，以树状结构查看系统目录，并在/home目录下创建子目录，目录名任意。
（3）实现文本方式与图形方式的切换。
（4）打开文字处理器，输入一段文字后存盘，与Word进行比较。
（5）插入软盘，单击桌面上的软盘上的软盘标志，观察软盘驱动器的动作，观察窗口上显示的问价名，核对是否是软盘上的文件。
（6）进入Linux的控制面板，参考Windows进行设置。
比如设置文字为中文、设置显示器等。
（7）进入/usr/src/linux-2.4子目录下查看有哪些文件夹，在进入其中的kernel子目录中看看，再进入其中的include/linux子目录看看有哪些头文件。
该文件夹是本课程后续章节所看到的数据结构集中存放的地方。
（8）选择菜单“红帽子”—>“系统工具”—>“系统监视器”，进入Linux的系统监视器看看，与Windows的任务管理器进行比较。
4.实验要求与思考
（1）按照系统提示进行安装，同时学习VMWare的使用方法。
（2）以Windows操作系统窗口的操作方式使用Linux图形界面，比较它们的异同。
（3）比较Linux的文本方式和窗口方式，哪种更受用户欢迎？
（4）可以打开多个虚拟文本窗口吗？
比较它与实验2-1的文本有什么相同和不同之处。
实验2Linux的键盘命令
1.实验目的
（1）通过本实验使学生了解Linux所提供的用户界面中的键盘命令操作界面；
（2）熟练掌握常用的键盘命令；
（3）了解Linux的实模式文本操作界面。
2.实验预备知识
请参考相关资料学习Linux的命令。
3.实验内容
进入Linux的文本方式，完成以下键盘命令的操作。
（1）目录操作
1在/home下建立自己的子目录，子目录名自己取，然后在自己的子目录下再创建子目录，可以多建几个。
2进入/home，查看创建的子目录。
3删除一部分自己的子目录下的子目录。
4再回自己的子目录，显示当前目录清单。
5显示当前目录所处的路径。
6在自己的子目录下再创建子目录sub和sub1。
7进入sub子目录。
（2）文件操作
1复制一部分文件到sub子目录（当前目录）
cp/usr/src/linux-2.4/kernel/*.c.
注意：
命令最后有一个小数点，表示目标位置为当前目录，后面的命令中也要注意。
2用长格式显示目录清单，看看文件的权限。
3查看sub目录中是否有sys.c文件（只显示该文件名）。
4将sys.c改名为mysys.c
5查看sub目录中是否有mysys.c文件，是否还有sys.c文件。
6建立mysys.c的一个文件链接文件名为mydoc.c。
7查看上述两个文件是否有相同的i节点号。
使用格式：
ls-i文件名//查看该文件的节点号
⑧按页显示文件mysys.c的内容（分别使用more和less）。
9将mysys.c按高比例进行压缩，压缩前后的文件大小进行观察和比较。
10将sub子目录下的所有文件进行打包，并压缩生成doc.tar文件。
11查看该文件，注意文件名的颜色。
12进入sub1子目录。
13在sub1子目录下将sub中的doc.tar文件解压到当前目录。
14查看sub1子目录下的文件，查看是否已经解压包解压。
15删除sub1下的所有文件（一次性删除，不用选择提示）。
16返回父目录。
17查找文件mysys.c。
18进入sub子目录。
19修改文件mysys.c的权限为如下。
文件拥有者：
可读，可写，可执行。
所属同组用户：
可读，可执行。
不同组用户：
可读。
20删除sub子目录下的所有文件，mysys.c除外，并查看是否完成。
21删除mysys.c。
22返回用户目录。
23删除sub和sub1子目录。
⑶历史命令的调用
用光标移动键↑和↓显示已经用过的命令，体会其方便之处。
⑷日期与实践
1显示系统当前时间和日期。
2显示2002年12月的日历。
3显示2002年全年的日历。
⑸输入输出重定向
1键盘输入文件file1的内容（用∧d存盘退出）。
2键盘输入文件file2的内容。
3分别显示file1和file2。
4将文件file1，file2合并到file中。
5显示file。
6将file追加到file1的末尾。
7显示file1.
（6）管理操作
用一条命令合并file,file1,file2,并显示（使用管道）。
（7）安装与卸载U盘（以下操作注意观察软驱是否运转）
1 将U盘插入驱动器，并挂接到安装点上。
2 将文件file1复制到U盘上。
3 显示U盘上的文件清单（文本文件与DOS兼容）。
4 显示file1的内容（该内容可以在Windows下显示出来）。
5 将U盘卸载。
（8）用户管理
1 用root登录。
2 添加用户名为a1的用户。
3 为该用户设置密码：
123456
4 重新启动系统。
5 用a1登录并输入密码。
6 注意用户状态下的提示符与管理员状态下的不同。
7 重新启动系统，用root登录.
8 显示/etc/passwd/和/etc/shadow文件的内容，查看该用户信息。
9 删除用户a1。
10 重新启动系统再用a1登录，看系统是否允许；若不允许，则用root登录。
11 在/home下建子目录abc。
12 再添加用户b1，并指定其主目录为/home/abc。
13 显示/etc/passwd/和/etc/shadow文件的内容，查看该用户信息。
14 使用用户名b1进入该用户的主目录，查看是否进入/home/abc。
15 删除用户b1。
4.实验注意事项
（1）在用root登陆时，注意是以特权用户的身份登录的，具有最大的实用权利，因此也极易破坏系统。
（2）在修改密码时要注意，如果不给出用户名，则系统默认用户就是特权用户，被修改的密码是特权用户的密码。
实验3-1Linux进程的创建与父子进程同步
1.实验目的
（1）熟悉在C语言源程序中使用Linux所提供的系统调用界面的方法；
（2）掌握Linux中进程的创建方法以及调度执行情况，理解进程与程序的区别；
（3）使用系统调用wait（）和exit（）,实现父子进程同步；
（4）了解Linux提供的C编译器gcc的调用；
（5）进一步掌握vi的使用。
2.实验预备知识
（1）vi的使用请参考相关资料。
（2）C编译器gcc的使用请参考相关资料。
3.实验内容
（1）父进程创建子进程，返回后父子进程都分别循环输出字符串“Iamparent.”或“Iamchild.”5次，每输出一次后使用sleep
（1）延时1秒，然后再进入下一次循环，如下所示。
将该源程序链接后执行，观察并分析运行结果。
父进程返回后执行：
for（i=0;i<5;i++）
{
printf（“Iamparent.\n”）;
sleep
（1）;
}
子进程返回后执行：
for（i=0;i<5;i++）
{
printf（“Iamchild.\n”）;
sleep
（1）;
}
（2）进程家族树
在源程序中连续使用4个fork（），而不是用if（）进行返回值的判段，在4个fork（）语言后面输出字符“A”。
观察并分析该程序编译连接执行后的输出结果。
（3）父子同步进程
修改第
（1）题的程序，使用exit（）和wait（）实现父子进程同步，其同步方式为父进程等待子进程的同步，即：
子进程先循环输出5次，然后父进程再循环输出5次.观察是否有不同的结果出现。
4.实验要求与思考
（1）观察运行结果，分析结果产生的原因。
（2）当程序中创建了子进程后，该程序的执行有什么特点？
为什么？
（3）如果连续创建多个子进程而不使用条件进行各自空间的分隔，会出现什么情况？
请画出第
（2）题实验的进程家族树。
（4）如何实现父子进程之间的父进程等待子进程的同步？
实验3-2Linux子进程映像的重新加载
1.实验目的
（1）掌握在Linux中如何加载属于子进程自己的程序，以取代在子进程创建时由系统复制的父进程的程序；
（2）掌握父进程通过创建子进程来完成某项任务的方法；
（3）熟悉系统调用execv（）和execl（）的使用。
2.实验预备知识
有关Linux子进程映像的重新加载的知识点请相关资料。
3.实验内容
（1）由父进程创建一个子进程，子进程的功能是输出26个英文字母，使用execl（）加载子进程的程序。
（2）创建一个子进程，并使用execv（）给它加载程序，其功能是调用键盘命令ps–a.已知键盘命令ps的路径与文件名为：
/bin/ps。
4.实验思考
（1）加载子进程映像的目的何在？
（2）如何加载子进程映像？
实验4-1Linux软中断通信
1.实验目的
（1）掌握软中断通信信号的使用；
（2）熟悉通过软中断信号实现子进程等待父进程的同步；
（3）了解使用软中断通信实现异步事件的方法；
（4）熟悉线程的使用。
2.实验预备知识
（1）与本实验软中断通信有关的知识点请参考相关资料。
（2）与本实验线程有关的知识点请参考相关资料。
3.实验内容
（1）编写一个程序循环显示“Howareyou?
”，当键盘输入Ctrl+C的组合键后中断循环显示，执行软中断程序，软中断程序的功能是修改循环变量的值终止循环，然后输出“Byebye”。
（2）使用软中断实现父子进程同步，同步方式为：
父进程先输出字符“A”，然后子进程再输出“B”。
（3）编写一个程序，完成以下功能。
1父进程创建两个子进程P1和P2；
2父进程捕捉从键盘上通过Ctrl+C键发来的中断信号；
3父进程获得中断信号后使用系统调用kill（）向两个子进程分别发终止执行信号SIGUSR1和SIGUSR2；
4子进程捕捉到各自的信号后分别输出：
Child1iskilledbyparent!
和
Child2iskilledbyparent!
然后终止执行（无先后次序的要求）：
5父进程等待两个子进程终止后输出以下信息，然后终止执行：
Parentprocessiskilled!
（4）编写一个程序，完成以下功能。
由进程创建一个线程，并定义软中断信号Ctrl+C终止进程执行。
运行后，父子两个线程分别循环输出“Thissismainpthread.\n”和“Thisisthesecondpthread.\n”。
父进程接收软中断信号出循环，然后显示“Byebye!
\n”后终止执行。
说明：
由于线程没有自己的位置空间，所以父进程执行终止后其子线程也会随之终止，因此该程序中只需要父线程接收软中断信号后终止即可。
4.实验思考
（1）对实验内容
（1）进行改进，先输出10次“Howareyou?
”，在此过程中使用Ctrl+C不能中断循环显示，10次以后使用Ctrl+C可以中断循环。
（2）本次实验内容
（2）实现子进程等待父进程，而实验3-2中实现了父进程等待子进程，它们分别采用了什么方法？
相互之间可不可以代替？
（3）实验内容（3）中一共存在几个进程？
它们执行的顺序是怎么样的？
如果现在要求实现进程间的同步关系child1、child2、parent，需要怎样改进？
（4）线程的创建与执行与进程有何区别？
当程序后中使用了创建线程的调用后，其编译参数与进程有何不同？
实验4-2Linux管道通信
1.实验目的
（1）掌握父子进程使用管道进行通信的方法。
（2）了解管道通信的特点和使用上的限制。
2.实验预备知识
了解无名管道工作原理和无名管道编程实现。
3.实验内容
编写一个程序，实现以下功能。
（1）父进程使用系统调用pipe（）建立一个无名管道；
（2）创建两个子进程，分别向管道各分布下面中一条信息后结束；
Child1issendingamessagetoparent!
Child2issendingamessagetoparent!
（3）父进程从管道中分别接收两个子进程发来的消息并显示该消息，然后父进程结束。
（4）两个子进程的发送没有先后要求。
4、实验思考
（1）管道通信与软件中断通信在信息量的大小上有何区别？
（2）共享同一个管道进行通信的读写进程之间必须满足什么关系？
为什么？
实验4-3Linux信息缓冲通信
1.实验目的
（1）掌握Linux中进程之间使用消息缓冲实现进程通信的方法；
（2）了解消息缓冲通信的特点；
（3）了解Linux提供的IPC机制。
2.实验预备知识
查找资料了解消息缓冲通信的实现方法。
3.实验内容
（1）父进程创建一个消息队列和一个子进程，由子进程发送消息，父进程等待子进程结束后接收子进程发来的消息，并显示消息内容。
以“end”作为结束消息。
（2）分别编写发送进程和接收进程，由发送进程发送消息，接收进程接收消息。
采用先执行发送进程后执行接收进程的方式同步。
以“end”作为结束消息。
（3）模拟C/S通信，要求如下。
1模拟客户（Client端）程序client，其功能如下。
a）显示下列服务功能菜单：
Enteryourchoice:
1.Savemoney
2.Takemoner
b）接收用户键入的功能号进行选择；
c）将用户键入的功能号作为一条信息发送消息队列，然后结束。
②模拟服务器端（Server端）程序server，其功能如下。
a）从消息队列接搜Client端发来一条消息：
b）根据消息作如下处理。
若消息为“1”，则创建子进程1，由子进程1加载服务模块save，该模块的作用为显示以下信息：
Yourmoneywassaved!
若消息为“2”，则创建子进程2，由子进程2加载服务模块take，该模块的作用为显示以下消息：
Pleasetakeyourmoney!
c）等待子进程终止后，Server进程删除消息队列，然后结束。
注意：
1save和take要事先编译连接好，放在合适的子目录下；
2采用先运行客户端进程，然后运行服务器端进程的方式实现同步；
3子进程的加载方法请参考实验3-2。
4.实验思考
（1）消息缓冲通信有哪些特点？
（2）在使用消息缓冲通信进行通信时，发送和接收之间的同步机制由谁提供？
（3）消息缓冲通信与管道通信有哪些不同之处？
当两个独立的进程之间需要传递大量信息时，应该使用其中哪一种通信方式？
实验4-4Linux共享存储通信
1.实验目的
（1）掌握Linux提供的共享存储区通信方式的使用方法。
（2）了解共享存储区通信方法的特点。
（3）了解实现进程间通信的不同方法之间的区别、特点和适用情况。
2.实验预备知识
（1）了解共享存储区通信方式的适用方法。
（2）了解子进程等待父进程的同步的实现方法。
3.实验内容
（1）编写发送信息程序shmsnd.c和接受信息程序shmrcv.c，其功能分别为：
//shmsnd.c//
1创建一个共享存储区间；
2将它附接到自己的位置空间；
3循环写入若干信息，以“end”结束（提示：
信息以追加方式存放到共享区中，可以用strcat（）函数实现追加）；
4断开共享区；
5结束。
//shmrcv.c//
1创建/获取同一个共享存储区；
2将它附接到自己的位置空间；
3输入其中已经由发送地方输入的内容；
4断开共享区
5删除共享区
6结束。
采用先执行发送进程、后执行接受进程来实现同步。
（2）父进程创建一个共享存储区，然后创建子进程；采用终端实现父进程发送信息和子进程接受信息的同步；信息以“end”作为结束标志。
4.实验思考
（1）共享存储区间通信有哪些优点？
使用上有哪些限制？
适用于哪种场合？
（2）总结共享存储区通信与消息缓冲通信、管理通信方式各有哪些特点？
实验5Linux信号量与P、V操作函数的定义
1.实验目的
（1）掌握Linux信号量的使用方法和P、V操作函数的定义；
（2）掌握使用P、V操作实现进程之间的同步和互斥的方法；
（3）加深对进程同步互斥概念的理解。
2.实验预备知识
（1）Linux信号量的使用方法请参考附件材料。
（2）共享存储通信请参考实验4-4.
（3）用P、V操作实现进程互斥与同步请参考附件材料。
3.实验内容
（1）使用信号量及P、V操作实现进程互斥。
阅读附件材料中例4-9，将程序编译连接后运行，观察运行结果。
（2）使用信号量及P、V操作实现子进程之间通过共享内存通信的读写同步，如实验图5-1所示。
要求如下：
生产者进程消费者进程A
sum
父进程
消费者进程B
实验图5-1
1请参考附件材料中的例4-11，设计一个父进程，创建三个子进程。
3个子进程中一个是生产者进程，两个是消费者进程。
父子进程都使用父进程创建的共享存储区进行通信。
2由生产者进程发送数值1~10到由5个缓冲区组成的共享内存中，两个消费者进程轮流接受并输入这10个数据，同时将两个消费者进程对读出的所有数据进行累加求和。
33个子进程结束后，由父进程输出两个消费者进程所读出数据的累加和。
它们的同步关系使用P、V操作系统。
提示：
在例4-11使用2个共享内存的基础上再使用一个共享内存来存放读出信息的累加和，由两个消费者进程和父进程共享使用。
4.实验思考
（1）针对每个信号量需要进行哪些定义？
（2）总结使用信号量系统调用的步骤与方法。
（3）进程之间如何使用信号量及其P、V操作实现互斥？
（4）进程之间如何使用信号量及其P、V操作实现同步？
（5）总结数值型共享内存作为变量或作为数组的使用方法。
实验6在Linux中增加一个新的系统调用函数
1.实验目的
（1）了解在Linux内核中增加一个系统调用函数的方法；
（2）了解内核被修改后必须重新编辑连接的道理，了解编译连接的过程。
2.实验预备知识
（1）系统调用的实现原理请参考相关材料；
（2）在Linux内核中增加一个系统调用的方法和步骤请参考附件材料。
3.实验内容
在Linux内核中增加一个系统调用函数，其功能是输出一个字符串，并返回数值5。
测试函数中调用该函数，并输出其返回值，查看是否将字符串和返回值输出。
4.实验思考
（1）作为操作系统，为用户提供系统调用用户界面需要做那些工作？
（2）用户如何将新的系统调用函数增加到Linux内核中？
（3）在实现的过程中，遇到了那些困难？
是如何解决的？
实验7动态申请内存
1.实验目的
（1）掌握Linux中动态申请内存的方法；
（2）了解操作系统对于高级语言程序设计所提供的环境变量支撑。
2.实验预备知识
Linux内存分配策略和系统调用请参考附件材料。
3.实验内容
（1）使用键盘命令以字节为单位显示系统中的内存使用情况，特别是当前系统中的空闲内存大小。
（2）编写一个程序申请两块大小为10的内存，分别存放字符串“123456789”和“987654321”，并输出字符串及存放位置，然后重新调整内存大小为20，再次输出位置。
（3）再次显示系统中的内存使用情况，看看前后系统中的空闲内存大小有没有变化。
4.实验思考
（1）实验内容
（1）中的前后两次输出的内存位置有何不同？
与附件材料中的例11-2相比区别在哪里？
为什么会产生这些？
（2）在程序中申请使用了内存后有没有释放？
如果不释放申请的内存，会产生什么后果？
实验8Linux字符设备驱动
1.实验目的
（1）了解设备驱动程序的编写、编译、和装载、卸载的方法；
（2）了解设备文件的创建；
（3）了解如何编写测试程序测试自己的系统是否能够正常工作。
2.实验预备知识
请参考附件材料中“字符设备驱动程序实例分析”中的mydriver.
3.实验内容
将附件材料节中的mydriver在自己的计算机上实现，并测试该字符设备的open、write和read函数。
4.实验思考
（1）设备与文件的接口是什么？
（2）实现对字符设备需要编写哪些函数？
如何实现？
（3）在对设备，模块进行编译时与普通文件的编译有何不同？
需要增加哪些参数？
（4）在调试运行中遇到了哪些问题？
是如何解决的？
实验9Linux文件系统调用
1.实验目的
（1）掌握Linux提供的文件系统调用的使用方法；
（2）熟悉文件操作的系统调用用户接口；
（3）了解操作系统文件系统的工作原理和工作方式。
2.实验预备知识
Linux文件系统调用中的相关调用格式和参数说明请参考附件材料。
3.实验内容
编写一个文件工具filetools，使其具有以下功能：
*********************************
1、退出
2、创建新文件
3、写文件
4、读文件
5、修改文件权限
6、查看当前文件权限并退
*********************************
提示用户输入功能号,并根据用户输入的功能选择完成相应的功能。
4.实验要求与思考
（1）先做一个针对一个文件的工具，即该工具可以处理的一个给定的文件。
（2）在
（1）的基础上加以改进，是该工具能够处理任意文件，文件名由用户从键盘输入。
（3）要求在完成某个功能后返回主菜单，只有在主菜单下选择0或查看权限后才能退出该工具，返回操作系统。
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