操作系统课内实验报告.docx
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操作系统课内实验报告
西安交通大学实验报告
操作系统实验报告
刘烜
乐享科技
计算机36班
操作系统实验
实验一：
用户接口实验
实验目的
1）理解面向操作命令的接口Shell。
2）学会简单的shell编码。
3）理解操作系统调用的运行机制。
4）掌握创建系统调用的方法。
操作系统给用户提供了命令接口和程序接口（系统调用）两种操作方式。
用户接口实验也因此而分为两大部分。
首先要熟悉Linux的基本操作命令，并在此基础上学会简单的shell编程方法。
然后通过想Linux内核添加一个自己设计的系统调用，来理解系统调用的实现方法和运行机制。
在本次实验中，最具有吸引力的地方是：
通过内核编译，将一组源代码变成操作系统的内核，并由此重新引导系统，这对我们初步了解操作系统的生成过程极为有利。
实验内容
1）控制台命令接口实验
该实验是通过“几种操作系统的控制台命令”、“终端处理程序”、“命令解释程序”和“Linux操作系统的bash”来让实验者理解面向操作命令的接口shell和进行简单的shell编程。
Ø查看bash版本。
在shell提示符下输入：
$echo$BASH_VERSION
（2）建立bash脚本，输出Helloword
在编辑器中输入以下内容
#!
/bin/bash
echoHelloWorld!
执行脚本使用指令：
$./script
Ø编写bash脚本，统计/my目录下c语言文件的个数
通过bash脚本，可以有多种方式实现这个功能，而使用函数是其中个一个选择。
在使用函数之前，必须先定义函数。
进入自己的工作目录，编写名为count的文件脚本程序：
#!
/bin/bash
functioncount
{
echo–n"Numberofmatchesfor$1:
"#接收程序的第一个参数
ls$1|wc–l#对子程序的第一个参数所在的目录进行操作
}
将count文件复制到当前目录下，然后在当前目录下建立文件夹，在my目录下建立几个c文件,以便用来进行测试
2）系统调用实验
该实验是通过实验者对“Linux操作系统的系统调用机制”的进一步了解来理解操作系统调用的运行机制；同时通过“自己创建一个系统调用mycall（）”和“编程调用自己创建的系统调用”进一步掌握创建和调用系统调用的方法。
Ø编程调用一个系统调用fork（），观察结果。
在应用程序中调用系统调用fork（）非常简单，下面的程序可以很清楚的显示出有fork（）系统调用生成了子进程，而产生的分叉作用：
#include
intmain（）
{
intiUid;
iUid=fork（）;
if（iUid==0）
for（;;）{printf（"Thisischildprocess.\n"）;
sleep
（1）;
}
if（iUid>0）
for（;;）{
printf（"Thisisparentprocess.\n"）;
sleep
（1）;
}
if（iUid<0）printf（"Cannotusesystemcall.\n"）;
return0;
}
程序运行结果：
Ø编程调用创建的系统调用foo（），观察结果。
在内核源码中添加如下代码：
asmlinkageintsys_foo（intx）
{printf（“%d\n”,x）;
}
编程调用创建的系统调用foo（），观察结果。
#include
#include
_syscall1（char*,foo,int,ret）
main（）
{
intI,J;I=100;J=0;J=foo（I）;
printf（"Thisistheresultofnewkernel\n"）;
printf（"%d",j）;
}
重新编译内核，编译成功后的内核版本如下：
Ø自己创建一个系统调用mycall（），实现功能：
显示字符串到屏幕上。
在内核源码中添加如下代码：
#include
asmlinkagelongsys_newcall（inti）
{
//printk（"thisisasystemcallmadebyyourself\n"）;
return（i*10）;
}
测试新的System_call
CODE:
vitest.c
Ø编程调用自己创建的系统调用。
测试：
CODE:
./test
实验体会：
通过本次实验，我们理解了面向操作命令的接口Shell，学会了简单的shell编码，理解了操作系统调用的运行机制，掌握了创建系统调用的方法。
本次实验通过内核编译，将一组源代码变成操作系统的内核，并由此重新引导系统，这让我们初步了解了操作系统的生成过程。
实验二：
进程管理实验
实验目的
1）加深对进程概念的理解，明确进程和程序的区别。
2）进一步认识并发执行的实质。
3）分析进程争用资源的现象，学习解决进程互斥的方法。
4）了解Linux系统中进程通信的基本原理。
进程是操作系统中最重要的概念，贯穿始终，也是学习现代操作系统的关键。
通过本次实验，要求理解进程的实质和进程管理的机制。
在Linux系统下实现进程从创建到终止的全过程，从中体会进程的创建过程、父进程和子进程的关系、进程状态的变化、进程之间的同步机制、进程调度的原理和以信号和管道为代表的进程间通信方式的实现。
实验内容
1）编制实现软中断通信的程序
1.实验原理：
使用系统调用fork（）创建两个子进程，再用系统调用signal（）让父进程捕捉键盘上发出的中断信号（即按delete键），当父进程接收到这两个软中断的某一个后，父进程用系统调用kill（）向两个子进程分别发出整数值为16和17软中断信号，子进程获得对应软中断信号，然后分别输出下列信息后终止：
Childprocess1iskilledbyparent!
!
Childprocess2iskilledbyparent!
!
父进程调用wait（）函数等待两个子进程终止后，输入以下信息，结束进程执行：
Parentprocessiskilled!
!
2.实验源码：
#include
#include
#include
#include
intwait_flag;
voidstop（）;
main（）{
intpid1,pid2;//定义两个进程号变量
signal（3,stop）;//或者signal（14,stop）;
while（（pid1=fork（））==-1）;//若创建子进程1不成功,则空循环
if（pid1>0）{//子进程创建成功,pid1为进程号
while（（pid2=fork（））==-1）;//创建子进程2
if（pid2>0）{
wait_flag=1;
sleep（5）;//父进程等待5秒
kill（pid1,16）;//杀死进程1
kill（pid2,17）;//杀死进程2
wait（0）;//等待第1个子进程1结束的信号
wait（0）;//等待第2个子进程2结束的信号
printf（"\nParentprocessiskilled!
!
\n"）;
exit（0）;//父进程结束
}
else{
wait_flag=1;
signal（17,stop）;//等待进程2被杀死的中断号17
printf（"\nChildprocess2iskilledbyparent!
!
\n"）;
exit（0）;
}
}
else{
wait_flag=1;
signal（16,stop）;//等待进程1被杀死的中断号16
printf（"\nChildprocess1iskilledbyparent!
!
\n"）;
exit（0）;
}
}
voidstop（）{
wait_flag=0;
}
3.程序运行结果:
或者多次运行，并且Delete键后，会出现如下结果：
4.简要原因分析：
上述结果中“Childprocess1iskilledbyparent!
!
”和“Childprocess2iskilledbyparent!
!
”相继出现，当运行几次后，谁在前谁在后是随机的。
这是因为：
从进程调度的角度看，子进程被创建后处于就绪态。
此时，父进程和子进程作为两个独立的进程，共享同一个代码段，分别参加调度、执行，直至进程结束。
但是谁会先被调度程序选中执行，则与系统的调度策略和系统当前的资源状态有关，是不确定的。
因此，谁先从fork（）函数中返回继续执行后面的语句也是不确定的。
2）编制实现进程的管道通信的程序
1.实验原理：
使用系统调用pipe（）建立一条管道线，两个子进程分别向管道写一句话：
Childprocess1issendingamessage!
Childprocess2issendingamessage!
而父进程则从管道中读出来自于两个子进程的信息，显示在屏幕上。
要求：
父进程先接收子进程P1发来的消息，然后再接收子进程P2发来的消息。
2.程序源码：
#include
#include
#include
intpid1,pid2;//定义两个进程变量
main（）{
intfd[2];
charOutPipe[100],InPipe[100];//定义两个字符数组
pipe（fd）;//创建管道
while（（pid1=fork（））==-1）;//如果进程1创建不成功,则空循环
if（pid1==0）{//如果子进程1创建成功,pid1为进程号
lockf（fd[1],1,0）;//锁定管道
sprintf（OutPipe,"\nChildprocess1issendingmessage!
\n"）;//给Outpipe赋值
write（fd[1],OutPipe,50）;//向管道写入数据
sleep（5）;//等待读进程读出数据
lockf（fd[1],0,0）;//解除管道的锁定
exit（0）;//结束进程1
}
else{
while（（pid2=fork（））==-1）;//若进程2创建不成功,则空循环
if（pid2==0）{
lockf（fd[1],1,0）;
sprintf（OutPipe,"\nChildprocess2issendingmessage!
\n"）;
write（fd[1],OutPipe,50）;
sleep（5）;
lockf（fd[1],0,0）;
exit（0）;
}
else{
wait（0）;//等待子进程1结束
read（fd[0],InPipe,50）;//从管道中读出数据
printf（"%s\n",InPipe）;//显示读出的数据
wait（0）;//等待子进程2结束
read（fd[0],InPipe,50）;
printf（"%s\n",InPipe）;
exit（0）;//父进程结束
}
}
}
3.运行结果截图：
4.简要分析
管道，是指用于连接一个读进程和一个写进程，以实现它们之间信息的共享文件又称pipe文件。
向管道（共享文件）提供输入的发送进程（即写进程），以字符流形式将大量的数据送入管道；而接收管道输送的接收进程（读进程），可以从管道中接收数据。
为了协调双方的通信，管道通信机制必须提供以下3方面的协调能力：
Ø互斥。
当一个进程正在对pipe进程读/写操作时，另一进程必须等待，程序中使用lock（fd[1],1,0）函数实现对管道的加锁操作，用lock（fd[1],0,0）解除管道的锁定。
Ø同步。
当写进程把一定数量的数据写入pipe后，便去睡眠等待，直到读进程取走数据后，再把它唤醒。
当读进程试图从一空管道中读取数据时，也应睡眠等待，直至写进程将数据写入管道后，才将其唤醒。
Ø判断对方是否存在。
只有确定写进程和读进程都存在的情况下，才能通过管道进行通信。
5）实验体会：
通过本次实验，我们理解了进程的实质和进程管理的机制。
进程是操作系统中最重要的概念，是现代操作系统的关键。
实验中我们在Linux系统下实现进程从创建到终止的全过程，体会了进程的创建过程、父进程和子进程的关系、进程状态的变化、进程之间的同步机制、进程调度的原理和以信号和管道为代表的进程间通信方式的实现。
实验三存储器管理实验
实验目的
1）理解内存页面调度的机理
2）掌握几种理论页面置换算法的实现方法
3）了解HASH数据结构的使用
4）通过实验比较几种调度算法的性能优劣
页面置换算法是虚拟存储管理实现的关键，通过本次实验理解内存页面调度的机制，在模拟实现FIFO、LRU、NRU和OPT几种经典页面置换算法的基础上，比较各种页面置换算法的效率及优缺点，从而了解虚拟存储实现的过程。
准备知识
（1）C++、指针、结构体（类）
（2）HASH表查找方式
（3）操作系统相关内存交换知识
（4）用到的LINUX函数
intgetpid（）获得当前进程的id
voidsrand（inta）以a为种子产生随机数
intrand（）根据前面的种子，返回一个随机数
实验内容
程序整体截图：
对比以下几种算法的命中率：
1）先进先出算法FIFO（FirstInFirstOut）
运行结果截图：
2）最近最少使用算法LRU（LeastRecentlyUsed）
运行结果截图：
3）最佳置换算法OPT（OptimalReplacement）
运行结果截图：
实验四文件系统实验
实验目的
1）掌握文件系统的工作机理。
2）理解文件系统的主要数据结构。
3）学习较为复杂的LINUX下的编程
实验内容
1）设计并实现一个一级（单用户）文件系统程序
a.提供以下操作：
Ø文件创建/删除接口命令create/delete
Ø目录创建/删除接口命令mkdir/rmdir
Ø显示目录内容命令ls
b.创建的文件不要求格式和内容
2）设计并实现一个二级文件系统程序
a.提供用户登录；
b.文件、目录要有权限
3）程序设计思想
设计一个简单的文件系统，包括格式化、显示目录（文件）、创建文件、登录等几个简单命令的实现，而且能完成超级块的读写、节点的读写等过程。
这是一个比真正的文件系统简单得多、但又能基本体现文件系统理论的程序。
在超级块的使用上，采用操作系统关于这方面的经典理论：
在节点使用上，主要模仿LINUX的EXT2文件系统。
4）程序截图：
5）实验体会：
通过本次实验，我们理解了内存页面调度的机制，掌握了几种理论页面置换算法的实现方法，了解了HASH数据结构的使用。
页面置换算法是虚拟存储管理实现的关键，FIFO、LRU、NRU和OPT是几种经典页面置换算法，我们通过实现这几种算法，比较了较各种页面置换算法的效率及优缺点，从而了解了虚拟存储实现的过程。
程序源代码：
（部分源码截图）
存储器管理实验源代码部分截图：
文件系统实验源代码部分截图：
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