合操作系统实验指导书612.docx
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合操作系统实验指导书612
《操作系统》实验指导书
操作系统课程组◎编著
计算机科学与技术系
目录
前言-1-
实验项目一熟悉LINUX基本命令及编程环境-2-
实验项目二进程管理-4-
实验项目三进程调度-9-
实验项目四进程通信-15-
实验项目五存储管理-24-
实验项目六Shell程序设计-30-
前言
《操作系统》是计算机本科各专业的专业核心课程，其实践性、应用性很强，实验教学环节是必不可少的一个重要环节。
通过《操作系统》实验部分教学，使学生加深理解和更好的掌握操作系统的基本原理、技术和方法，巩固所学理论知识，激发实验兴趣，掌握实验要领，培养对操作系统理论课程所学知识融会贯通和综合运用的能力。
通过实验，使学生深入了解和熟练掌握Linux操作系统的使用，及在Linux操作系统下进行程序设计开发的方法，掌握操作系统中进程管理、进程调度、进程通信和存储管理的方法，使学生具有初步分析实际操作系统的能力，为今后学习使用其它的程序设计环境和语言打好基础。
为了收到良好的实验效果，编写这本实验指导书。
在指导书中，每一个实验均按照该课程实验大纲的要求编写，力求紧扣理论知识点、突出设计方法、明确设计思路，通过多种形式完成实验任务，最终引导学生有目的、有方向地完成实验任务，得出实验结果。
实验前，指导教师布置实验任务，给定实验内容，进行一定的分析和讲解，学生进行预习，提前设计实验方案，之后进入实验室进行实验；实验中，要求学生按照实验要求进行实验，认真完成每个实验项目的具体内容，指导教师全程指导协调实验进行，对于实验中学生所提问题进行具体解答；实验后，学生应当及时总结实验过程，并按照实际情况对实验报告进行填写，能对在实验过程中发生的问题及时分析并找到解决方案，提交实验报告；指导教师需要对实验报告进行认真批阅，并根据需要选取重点内容进行点评分析。
实验项目一熟悉LINUX基本命令及编程环境
1、实验类型
本实验为验证性实验。
2、实验目的与任务
1.熟悉Linux操作系统的安装和使用；熟悉使用Linux字符界面，窗口系统的常用命令。
2.掌握运用Linux常用的编程工具；掌握如何编辑、编译、运行程序。
3、实验准备
1.熟悉linux系统中常用命令及其功能
2.熟悉vi编辑器或Gedit编辑器的各项功能
3.复习C语言程序的编写。
4、实验内容
1.练习使用Gedit编辑器
使用Gedit编辑器用C语言编写一个HelloWorld程序，并保存。
具体操作：
点击“任务栏→位置→主文件夹”，打开主文件夹位置文件浏览器，空白处右键单击，弹出菜单选择“创建文档→空文件”，新建一个空文件，并命名为“hello.c”，右键单击“hello.c”，选择“使用Gedit打开”，在Gedit编辑器中编辑代码如下：
#include
intmain（）
{
printf（"Hello,Wrold!
\n"）;
}
编辑完成后，点击“保存”，保存文件。
#include
voidmain（）{
intx,y;
printf（"pleaseinputx:
"）;
scanf（"%d",&x）;
if（x<6）
{
y=x-12;
printf（"x=%d,y=%d\n",x,y）;
}
elseif（x<15）
{
y=3*x-1;
printf（"x=%d,y=%d\n",x,y）;
}
else
{
y=5*x+9;
printf（"x=%d,y=%d\n",x,y）;
}
}
2.使用gcc编译源程序。
gcc是linux下的一种c程序编译工具，使用方法如下：
编译：
gcc-ofilename1filename.c（或者gccfilename.c-ofilename1），其中:
filename.c是源文件名，filename1是目标文件名，o代表object
具体操作：
点击“任务栏→应用程序→附件→终端”，当前默认路径即为主文件夹，输入“gcchello.c-ohello”，回车运行后，若无任何提示，怎说明编译成功，已生成可执行文件“hello“，若提示有错误，则根据具体提示回到Gedit中修改源程序，保存后重新编译.
3.执行程序
执行：
./filenamel其中:
filename1是目标文件名。
具体操作：
在“终端”中输入“./hello”，回车后运行，若无错误，终端中将显示运行结果“Hello,Wrold!
”。
5、注意事项
1.gcc编译器不能编译不带扩展名的c语言程序。
2.注意编译和运行程序的基本过程。
3.重新编辑源程序后，必须重新编译，才会生成新的可执行程序。
实验项目二进程管理
1、实验类型
本实验为验证性实验。
2、实验目的
1.理解进程的概念，掌握父、子进程创建的方法。
2.认识和了解并发执行的实质，掌握进程的并发及同步操作。
3、实验预备知识
1.fork（）函数
头文件：
#include
#include
函数原型：
pid_tfork（ void）;
（pid_t是一个宏定义，其实质是int，被定义在#include中）
返回值：
若成功调用一次则返回两个值，子进程返回0，父进程返回子进程ID；否则，出错返回-1
函数说明：
一个现有进程可以调用fork函数创建一个新进程。
由fork创建的新进程被称为子进程（childprocess）。
fork函数被调用一次但返回两次。
两次返回的唯一区别是子进程中返回0值而父进程中返回子进程ID。
子进程是父进程的副本，它将获得父进程数据空间、堆、栈等资源的副本。
注意，子进程持有的是上述存储空间的“副本”，这意味着父子进程间不共享这些存储空间。
linux将复制父进程的地址空间内容给子进程，因此，子进程有了独立的地址空间。
为什么fork会返回两次？
由于在复制时复制了父进程的堆栈段，所以两个进程都停留在fork函数中，等待返回。
因为fork函数会返回两次，一次是在父进程中返回，另一次是在子进程中返回，这两次的返回值是不一样的，过程如图2.1。
调用fork之后，数据、堆栈有两份，代码仍然为一份但是这个代码段成为两个进程的共享代码段都从fork函数中返回，箭头表示各自的执行处。
当父子进程有一个想要修改代码段时，两个进程真正分裂。
图2.1fork（）函数分裂示意图
示例代码：
#include//对于此程序而言此头文件用不到
#include
#include
int main（int argc, char **argv）
{
int pid=fork（）;
if （pid<0）
printf（"error!
"）;
else if（pid==0）
printf（"Thisisthechildprocess!
"）;
else
printf（"Thisistheparentprocess!
childprocessid=%d",pid）;
return 0;
}
fork函数的特点概括起来就是“调用一次，返回两次”，在父进程中调用一次，在父进程和子进程中各返回一次。
fork的另一个特性是所有由父进程打开的描述符都被复制到子进程中。
父、子进程中相同编号的文件描述符在内核中指向同一个file结构体，也就是说，file结构体的引用计数要增加。
2.wait（）函数
头文件：
#include
#include
函数原型：
pid_twait（int*status）；
返回值：
如果执行成功则返回子进程识别码（PID），如果有错误发生则返回-1。
函数说明：
wait（）会暂时停止目前进程的执行，直到有信号来到或子进程结束。
如果在调用wait（）时子进程已经结束，则wait（）会立即返回子进程结束状态值。
子进程的结束状态值会由参数status返回，而子进程的进程识别码也会一起返回。
如果不在意结束状态值，则参数status可以设成NULL。
子进程的结束状态值请参考下面的waitpid（）。
示例代码：
#include
#include
#include
#include
intmain（int argc, char **argv）
{
pid_tpid;
intstatus,i;
if（fork（）==0）
{
printf（"Thisisthechildprocess.pid=%d\n"，getpid（））;
exit（5）;
}
else
{
sleep
（1）;
printf（"Thisistheparentprocess,waitforchild...\n"）；
pid=wait（&status）;
i=WEXITSTATUS（status）;
printf（"child’spid=%d.exitstatus=%d\n"，pid,i）;
}
}
3.waitpid（）函数
头文件：
#include
#include
函数原型：
pid_twaitpid（pid_tpid,int*status,intoptions）；
返回值：
如果执行成功则返回子进程识别码（PID），如果有错误发生则返回-1。
函数说明：
waitpid（）会暂时停止目前进程的执行，直到有信号来到或子进程结束。
如果在调用wait（）时子进程已经结束，则wait（）会立即返回子进程结束状态值。
子进程的结束状态值会由参数status返回，而子进程的进程识别码也会一快返回。
如果不在意结束状态值，则参数status可以设成NULL。
参数pid为欲等待的子进程识别码，其他数值意义如下：
pid<-1等待进程组识别码为pid 绝对值的任何子进程。
pid=-1等待任何子进程，相当于wait（）。
pid=0等待进程组识别码与目前进程相同的任何子进程。
pid>0等待任何子进程识别码为pid的子进程。
参数option可以为0或下面的组合：
WNOHANG如果没有任何已经结束的子进程则马上返回，不予以等待。
WUNTRACED如果子进程进入暂停执行情况则马上返回，但结束状态不予以理会。
子进程的结束状态返回后存于status，底下有几个宏可判别结束情况：
WIFEXITED（status）如果子进程正常结束则为非0值。
WEXITSTATUS（status）取得子进程exit（）返回的结束代码，一般会先用WIFEXITED来判断是否正常结束才能使用此宏。
WIFSIGNALED（status）如果子进程是因为信号而结束则此宏值为真。
WTERMSIG（status）取得子进程因信号而中止的信号代码，一般会先用WIFSIGNALED来判断后才使用此宏。
WIFSTOPPED（status）如果子进程处于暂停执行情况则此宏值为真。
一般只有使用WUNTRACED时才会有此情况。
WSTOPSIG（status）取得引发子进程暂停的信号代码，一般会先用WIFSTOPPED来判断后才使用此宏。
4.exit（）函数
头文件：
#include
函数原型：
voidexit（intstatus）;
返回值：
无。
函数说明：
进程结束正常终止，返回结束状态。
status为进程结束状态，是返回给父进程的一个整数，以备查考。
为了及时回收进程所占用的资源并减少父进程的干预，UNIX/LINUX利用exit（）来实现进程的自我终止，通常父进程在创建子进程时，应在进程的末尾安排一条exit（），使子进程自我终止。
exit（0）表示进程正常终止，exit
（1）表示进程运行有错，异常终止。
如果调用进程在执行exit（）时，其父进程正在等待它的终止，则父进程可立即得到其返回的整数。
核心须为exit（）完成以下操作：
（1）关闭软中断
（2）回收资源
（3）写记帐信息
（4）置进程为“僵死状态”
4、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”。
#include
#include
#include
#include
intmain（）
{
intpid;
printf（"forkprogramstarring\n"）;
pid=fork（）;
if（pid==0）
printf（"son\n"）;
else
{
pid=fork（）;
if（pid==0）
printf（"daughter\n"）;
else
printf（"father\n"）;
}
}
2.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。
记下这种情况，试简单分析其原因。
3.修改程序，在父、子进程中分别使用wait（）、exit（）等系统调用“实现”其同步推进，并获取子进程的ID号及结束状态值。
多次反复运行改进后的程序，观察并记录运行结果。
5、实验报告要求
1.列出实验内容1、3各程序清单，并以截图形式记录相应运行结果。
2.对实验运行结果进行分析：
1）实验内容1运行结果为什么无固定顺序，fork（）函数创建进程是如何并发执行的。
2）实验内容3是如何实现父子进程的同步执行的。
#include
#include
#include
intmain（）{
intn;
char*message;
intpid,status,i;
printf（"forkprogramstarring\n"）;
pid=fork（）;
if（pid==0）
{
message="son";
n=3;
}
else
{
pid=fork（）;
if（pid==0）{
message="daughter";
n=3;
}
else{
message="father";
n=3;
}
for（;n>0;n--）{
puts（message）;
sleep
（1）;
}
}
}
实验项目三进程调度
1、实验类型
本实验为验证性实验。
2、实验目的
1.理解进程控制块和进程组织方式；
2.掌握时间片轮转调度算法实现处理机调度。
3、实验预备知识
1.实验基本原理
进程控制块通过链表队列的方式组织起来，系统中存在运行队列和就绪队列（为简单起见，不设阻塞队列），进程的调度就是进程控制块在运行队列和就绪队列之间的切换。
当需要调度时，从就绪队列中挑选一个进程占用处理机，即从就绪队列中删除一个进程，插入到运行队列中，当占用处理机的进程运行的时间片完成后，放弃处理机，即在运行队列中的进程控制块经过一段时间（时间片）后，从该队列上删除，如果该进程运行完毕，则删除该进程（节点）；否则，则插入到就绪队列中。
2.实验中使用的数据结构
（1）PCB进程控制块
内容包括参数①进程名name；②要求运行时间runtime；③已运行时间runedtime；④本轮运行时间killtime。
（2）进程队列
为简单起见，只设运行队列，就绪队列两种数据结构，进程的调度在这两个队列中切换，如图3.1所示。
图3.1PCB链表
3.rand（）函数和srand（）函数
库函数中系统提供了两个函数用于产生随机数：
srand（）和rand（）。
函数一：
intrand（void）；
从srand（seed）中指定的seed开始，返回一个[0,RAND_MAX（0x7fff）]间的随机整数。
函数二：
voidsrand（unsignedseed）；
参数seed是rand（）的种子，用来初始化rand（）的起始值。
函数rand（）是真正的随机数生成器，而srand（）会设置供rand（）使用的随机数种子。
如果你在第一次调用rand（）之前没有调用srand（），那么系统会为你自动调用srand（）。
而使用同种子相同的数调用srand（）会导致相同的随机数序列被生成。
srand（（unsigned）time（NULL））则使用系统定时/计数器的值做为随机种子。
每个种子对应一组根据算法预先生成的随机数，所以，在相同的平台环境下，不同时间产生的随机数会是不同的，相应的，若将srand（unsigned）time（NULL）改为srand（TP）（TP为任一常量），则无论何时运行、运行多少次得到的“随机数”都会是一组固定的序列，因此srand生成的随机数是伪随机数。
但是，要注意的是所谓的“伪随机数”指的并不是假的随机数。
其实绝对的随机数只是一种理想状态的随机数，计算机只能生成相对的随机数即伪随机数。
计算机生成的伪随机数既是随机的又是有规律的——一部份遵守一定的规律，一部份则不遵守任何规律。
比如“世上没有两片形状完全相同的树叶”，这体现到了事物的特性——差异性；但是每种树的叶子都有近似的形状，这正是事物的共性——规律性。
从这个角度讲，我们就可以接受这样的事实了：
计算机只能产生伪随机数而不是绝对的随机数。
系统在调用rand（）之前都会自动调用srand（），如果用户在rand（）之前曾调用过srand（）给参数seed指定了一个值，那么rand（）就会将seed的值作为产生伪随机数的初始值；而如果用户在rand（）前没有调用过srand（），那么系统默认将1作为伪随机数的初始值。
如果给了一个定值，那么每次rand（）产生的随机数序列都是一样的。
所以为了避免上述情况的发生我们通常用srand（（unsigned）time（0））或者srand（（unsigned）time（NULL））来产生种子。
如果仍然觉得时间间隔太小，可以在（unsigned）time（0）或者（unsigned）time（NULL）后面乘上某个合适的整数。
例如,srand（（unsigned）time（NULL）*10）。
另外，关于time_ttime（0）：
time_t被定义为长整型，它返回从1970年1月1日零时零分零秒到目前为止所经过的时间，单位为秒。
srand（）、rand（）用法举例：
#include
#include
voidmain（）
{
inti,j;
srand（10）;//srand（（int）time（0））;
for（i=0;i<10;i++）
{
j=（int）（rand（））%20;
printf（"%d\n",j）;
}
}
4.malloc（）函数
头文件：
#include
函数原型：
void*malloc（unsignedintsize）;
函数说明：
其作用是在内存的动态存储区中分配一个长度为size的连续空间，此函数的值（即“返回值”）是一个指向分配域其实地址的指针（类型为void）。
若此函数未能成功执行则返回空指针。
5.程序流程图
图3.2模拟进程调度的流程图
6.部分参考程序
（1）PCB数据结构
structPCB
{
intname;
intruntime;
intrunedtime;
intkilltime;
structPCB*next;
};
typedefstructPCBPCB;
（2）创建就绪列表
#defineLENsizeof（PCB）
PCB*runqueue;//运行队列指针
PCB*top,*tail,*temp;//就绪队列指针
inti;
srand（（int）time（0））;
for（i=0;i{
temp=（PCB*）malloc（LEN）;
temp->name=i;
temp->runtime=rand（）%15;
temp->runedtime=0;
temp->next=NULL;
temp->killtime=0;
if（i==0）
{
top=temp;
tail=temp;
}
else
{
tail->next=temp;
tail=temp;
}
printf（"processname%d,runtime=%d,runedtime=%d,killtime=%d\n",tail->name,tail->runtime,tail->runedtime,tail->killtime）;
}
7.按时间片轮转算法进行进程调度的过程描述。
第1步：
取就绪队列的队首结点为运行队列的结点，修改就绪队列队首指针后移；
第2步：
调度运行队列结点，即运行队列结点的要求运行时间减去时间片时间；
第3步：
a．若修改后要求运行时间<=0，则表示该进程结点运行完毕，修改进程结点的PCB信息，记录runtime，runedtime，killtime等信息。
并将结点信息输出。
b．否则，表示该进程结点未完成，记录runtime，runedtime，killtime等信息，将结点信息输出。
并将该结点置于就绪队列的队尾，等待下次调度，同时修改队尾指针。
第4步：
若就绪队列非空，则继续执行第1步，直至就绪队列为空。
4、实验内容
1.建立合理的PCB数据结构，建立含有8个进程结点的就绪队列，每个进程的要求运行时间随机产生，要求每个进程的要求运行时间不大于15。
2.设置时间片大小（3~6），使用时间片轮转调度算法实现处理机调度。
5、实验报告要求
1.列出实验内容所要求的程序清单，并以截图形式记录相应运行结果；
2.对实验运行结果进行分析：
如果时间片设置值过大或过小，会对进程的调度产生何种影响。
实验项目四进程通信
1、实验类型
本实验为综合性实验。
2、实验目的
1.了解什么是消息，熟悉消息传送原理。
2.了解和熟悉共享存储机制。
3.掌握消息的发送与接收的实现方法。
3、实验预备知识
任务一消息的发送和接收
1.实验基本原理
消息（message）是一个格式化的可变长的信息
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