操作系统课程设计实验报告.docx

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操作系统课程设计实验报告

湖南科技大学计算机科学与工程学院

操作系统课程设计报告

学号：

姓名：

班级：

指导老师：

完成时间：

2017年6月23日

实验一

一、实验题目

实验一Windows进程管理

二、实验目的

1）学会使用VC编写基本的Win32ConsolApplication（控制台应用程序）。

2）通过创建进程、观察正在运行的进程和终止进程的程序设计和调试操作，进一步熟悉操作系统的进程概念，理解Windows进程的“一生”。

3）通过阅读和分析实验程序，学习创建进程、观察进程、终止进程以及父子进程同步的基本程序设计方法。

三、总体设计

1）背景知识

Windows所创建的每个进程都从调用CreateProcess（）API函数开始，该函数的任务是在对象管理器子系统内初始化进程对象。

每一进程都以调用ExitProcess（）或TerminateProcess（）API函数终止。

通常应用程序的框架负责调用ExitProcess（）函数。

对于C++运行库来说，这一调用发生在应用程序的main（）函数返回之后。

a）创建进程

CreateProcess（）调用的核心参数是可执行文件运行时的文件名及其命令行。

表1-1详细地列出了每个参数的类型和名称。

可以指定第一个参数，即应用程序的名称，其中包括相对于当前进程的当前目录的全路径或者利用搜索方法找到的路径；lpCommandLine参数允许调用者向新应用程序发送数据；接下来的三个参数与进程和它的主线程以及返回的指向该对象的句柄的安全性有关。

然后是标志参数，用以在dwCreationFlags参数中指明系统应该给予新进程什么行为。

经常使用的标志是CREATE_SUSPNDED，告诉主线程立刻暂停。

当准备好时，应该使用ResumeThread（）API来启动进程。

另一个常用的标志是CREATE_NEW_CONSOLE，告诉新进程启动自己的控制台窗口，而不是利用父窗口。

这一参数还允许设置进程的优先级，用以向系统指明，相对于系统中所有其他的活动进程来说，给此进程多少CPU时间。

接着是CreateProcess（）函数调用所需要的三个通常使用缺省值的参数。

第一个参数是lpEnvironment参数，指明为新进程提供的环境；第二个参数是lpCurrentDirectory，可用于向主创进程发送与缺省目录不同的新进程使用的特殊的当前目录；第三个参数是STARTUPINFO数据结构所必需的，用于在必要时指明新应用程序的主窗口的外观。

CreateProcess（）的最后一个参数是用于新进程对象及其主线程的句柄和ID的返回值缓冲区。

以PROCESS_INFORMATION结构中返回的句柄调用CloseHandle（）API函数是重要的，因为如果不将这些句柄关闭的话，有可能危及主创进程终止之前的任何未释放的资源。

b）正在运行的进程

如果一个进程拥有至少一个执行线程，则为正在系统中运行的进程。

通常，这种进程使用主线程来指示它的存在。

当主线程结束时，调用ExitProcess（）API函数，通知系统终止它所拥有的所有正在运行、准备运行或正在挂起的其他线程。

当进程正在运行时，可以查看它的许多特性，其中少数特性也允许加以修改。

首先可查看的进程特性是系统进程标识符（PID），可利用GetCurrentProcessId（）API函数来查看，与GetCurrentProcess（）相似，对该函数的调用不能失败，但返回的PID在整个系统中都可使用。

其他的可显示当前进程信息的API函数还有GetStartupInfo（）和GetProcessShutdownParameters（），可给出进程存活期内的配置详情。

通常，一个进程需要它的运行期环境的信息。

例如API函数GetModuleFileName（）和GetCommandLine（），可以给出用在CreateProcess（）中的参数以启动应用程序。

在创建应用程序时可使用的另一个API函数是IsDebuggerPresent（）。

可利用API函数GetGuiResources（）来查看进程的GUI资源。

此函数既可返回指定进程中的打开的GUI对象的数目，也可返回指定进程中打开的USER对象的数目。

进程的其他性能信息可通过GetProcessIoCounters（）、GetProcessPriorityBoost（）、GetProcessTimes（）和GetProcessWorkingSetSize（）API得到。

以上这几个API函数都只需要具有PROCESS_QUERY_INFORMATION访问权限的指向所感兴趣进程的句柄。

另一个可用于进程信息查询的API函数是GetProcessVersion（）。

此函数只需感兴趣进程的PID（进程标识号）。

这一API函数与GetVersionEx（）的共同作用，可确定运行进程的系统的版本号。

c）终止进程

所有进程都是以调用ExitProcess（）或者TerminateProcess（）函数结束的。

但最好使用前者而不要使用后者，因为进程是在完成了它的所有的关闭“职责”之后以正常的终止方式来调用前者的。

而外部进程通常调用后者即突然终止进程的进行，由于关闭时的途径不太正常，有可能引起错误的行为。

TerminateProcess（）API函数只要打开带有PROCESS_TERMINATE访问权的进程对象，就可以终止进程，并向系统返回指定的代码。

这是一种“野蛮”的终止进程的方式，但是有时却是需要的。

如果开发人员确实有机会来设计“谋杀”（终止别的进程的进程）和“受害”进程（被终止的进程）时，应该创建一个进程间通讯的内核对象——如一个互斥程序——这样一来，“受害”进程只在等待或周期性地测试它是否应该终止。

d）进程同步

Windows提供的常用对象可分成三类：

核心应用服务、线程同步和线程间通讯。

其中，开发人员可以使用线程同步对象来协调线程和进程的工作，以使其共享信息并执行任务。

此类对象包括互锁数据、临界段、事件、互斥体和信号等。

多线程编程中关键的一步是保护所有的共享资源，工具主要有互锁函数、临界段和互斥体等；另一个实质性部分是协调线程使其完成应用程序的任务，为此，可利用内核中的事件对象和信号。

在进程内或进程间实现线程同步的最方便的方法是使用事件对象，这一组内核对象允许一个线程对其受信状态进行直接控制。

而互斥体则是另一个可命名且安全的内核对象，其主要目的是引导对共享资源的访问。

拥有单一访问资源的线程创建互斥体，所有想要访问该资源的线程应该在实际执行操作之前获得互斥体，而在访问结束时立即释放互斥体，以允许下一个等待线程获得互斥体，然后接着进行下去。

与事件对象类似，互斥体容易创建、打开、使用并清除。

利用CreateMutex（）API可创建互斥体，创建时还可以指定一个初始的拥有权标志，通过使用这个标志，只有当线程完成了资源的所有的初始化工作时，才允许创建线程释放互斥体。

为了获得互斥体，首先，想要访问调用的线程可使用OpenMutex（）API来获得指向对象的句柄；然后，线程将这个句柄提供给一个等待函数。

当内核将互斥体对象发送给等待线程时，就表明该线程获得了互斥体的拥有权。

当线程获得拥有权时，线程控制了对共享资源的访问——必须设法尽快地放弃互斥体。

放弃共享资源时需要在该对象上调用ReleaseMute（）API。

然后系统负责将互斥体拥有权传递给下一个等待着的线程（由到达时间决定顺序）。

2）编写基本的Win32ConsolApplication

步骤1：

登录进入Windows系统，启动VC++6.0。

步骤2：

在“FILE”菜单中单击“NEW”子菜单，在“projects”选项卡中选择“Win32ConsolApplication”,然后在“Projectname”处输入工程名，在“Location”处输入工程目录。

创建一个新的控制台应用程序工程。

步骤3：

在“FILE”菜单中单击“NEW”子菜单，在“Files”选项卡中选择“C++SourceFile”,然后在“File”处输入C/C++源程序的文件名。

步骤4：

将清单1-1所示的程序清单复制到新创建的C/C++源程序中。

编译成可执行文件。

步骤5：

在“开始”菜单中单击“程序”-“附件”-“命令提示符”命令，进入Windows“命令提示符”窗口，然后进入工程目录中的debug子目录，执行编译好的可执行程序，列出运行结果（如果运行不成功，则可能的原因是什么？

）

3）创建进程

本实验显示了创建子进程的基本框架。

该程序只是再一次地启动自身，显示它的系统进程ID和它在进程列表中的位置。

步骤1：

创建一个“Win32ConsolApplication”工程，然后拷贝清单1-2中的程序，编译成可执行文件。

步骤2：

在“命令提示符”窗口运行步骤1中生成的可执行文件，列出运行结果。

按下ctrl+alt+del，调用windows的任务管理器，记录进程相关的行为属性。

步骤3：

在“命令提示符”窗口加入参数重新运行生成的可执行文件，列出运行结果。

按下ctrl+alt+del，调用windows的任务管理器，记录进程相关的行为属性。

步骤4：

修改清单1-2中的程序，将nClone的定义和初始化方法按程序注释中的修改方法进行修改，编译成可执行文件（执行前请先保存已经完成的工作）。

再按步骤2中的方式运行，看看结果会有什么不一样。

列出行结果。

从中你可以得出什么结论？

说明nClone的作用。

变量的定义和初始化方法（位置）对程序的执行结果有影响吗？

为什么？

4）父子进程的简单通信及终止进程

步骤1：

创建一个“Win32ConsolApplication”工程，然后拷贝清单1-3中的程序，编译成可执行文件。

步骤2：

在VC的工具栏单击“ExecuteProgram”（执行程序）按钮，或者按Ctrl+F5键，或者在“命令提示符”窗口运行步骤1中生成的可执行文件，列出运行结果。

步骤3：

按源程序中注释中的提示，修改源程序1-3，编译执行（执行前请先保存已经完成的工作），列出运行结果。

在程序中加入跟踪语句，或调试运行程序，同时参考MSDN中的帮助文件CreateProcess（）的使用方法，理解父子进程如何传递参数。

给出程序执行过程的大概描述。

步骤4：

按源程序中注释中的提示，修改源程序1-3，编译执行，列出运行结果。

步骤5：

参考MSDN中的帮助文件CreateMutex（）、OpenMutex（）、ReleaseMutex（）和WaitForSingleObject（）的使用方法，理解父子进程如何利用互斥体进行同步的。

给出父子进程同步过程的一个大概描述。

四、详细设计

1）关键代码

清单1-1一个简单的Windows控制台应用程序

//hello项目

#include"stdafx.h"

#include

voidmain（）{

std:

:

cout<<"Hello,Win32ConsolApplication"<

:

endl;

}

清单1-2创建子进程

#define_CRT_SECURE_NO_WARNINGS

#include"stdafx.h"

#include

#include

#include

//创建传递过来的进程的克隆过程并赋于其ID值

voidStartClone（intnCloneID）{

//提取用于当前可执行文件的文件名

TCHARszFilename[MAX_PATH];

GetModuleFileName（NULL,szFilename,MAX_PATH）;

//格式化用于子进程的命令行并通知其EXE文件名和克隆ID

TCHARszCmdLine[MAX_PATH];

sprintf_s（szCmdLine,"\"%s\"%d",szFilename,nCloneID）;

//用于子进程的STARTUPINFO结构

STARTUPINFOsi;

ZeroMemory（&si,sizeof（si））;

si.cb=sizeof（si）;//必须是本结构的大小

//返回的用于子进程的进程信息

PROCESS_INFORMATIONpi;

//利用同样的可执行文件和命令行创建进程，并赋于其子进程的性质

BOOLbCreateOK=:

:

CreateProcess（

szFilename,//产生这个EXE的应用程序的名称

szCmdLine,//告诉其行为像一个子进程的标志

NULL,//缺省的进程安全性

NULL,//缺省的线程安全性

FALSE,//不继承句柄

CREATE_NEW_CONSOLE,//使用新的控制台

NULL,//新的环境

NULL,//当前目录

&si,//启动信息

&pi）;//返回的进程信息

//对子进程释放引用

if（bCreateOK）{

CloseHandle（pi.hProcess）;

CloseHandle（pi.hThread）;

}

}

intmain（intargc,char*argv[]）{

//确定派生出几个进程，及派生进程在进程列表中的位置

intnClone=0;

//修改语句：

intnClone;

//第一次修改：

nClone=0;

if（argc>1）{

//从第二个参数中提取克隆ID

:

:

sscanf_s（argv[1],"%d",&nClone）;

}

//第二次修改：

nClone=0;

//显示进程位置

std:

:

cout<<"ProcessID:

"<<:

:

GetCurrentProcessId（）

<<",CloneID:

"<

<

:

endl;

//检查是否有创建子进程的需要

constintc_nCloneMax=5;

if（nClone

//发送新进程的命令行和克隆号

StartClone（++nClone）;

}

//等待响应键盘输入结束进程

getchar（）;

return0;

}

清单1-3父子进程的简单通信及终止进程的示例程序

#include"stdafx.h"

#include

#include

#include

staticLPCTSTRg_szMutexName="w2kdg.ProcTerm.mutex.Suicide";

//创建当前进程的克隆进程的简单方法

voidStartClone（）{

//提取当前可执行文件的文件名

TCHARszFilename[MAX_PATH];

GetModuleFileName（NULL,szFilename,MAX_PATH）;

//格式化用于子进程的命令行，字符串“child”将作为形参传递给子进程的main函数

TCHARszCmdLine[MAX_PATH];

//实验1-3步骤3：

将下句中的字符串child改为别的字符串，重新编译执行，执行前请先保存已经完成的工作

sprintf_s（szCmdLine,"\"%s\"child",szFilename）;

//子进程的启动信息结构

STARTUPINFOsi;

ZeroMemory（&si,sizeof（si））;

si.cb=sizeof（si）;//应当是此结构的大小

//返回的用于子进程的进程信息

PROCESS_INFORMATIONpi;

//用同样的可执行文件名和命令行创建进程，并指明它是一个子进程

BOOLbCreateOK=CreateProcess（

szFilename,//产生的应用程序的名称（本EXE文件）

szCmdLine,//告诉我们这是一个子进程的标志

NULL,//用于进程的缺省的安全性

NULL,//用于线程的缺省安全性

FALSE,//不继承句柄

CREATE_NEW_CONSOLE,//创建新窗口

NULL,//新环境

NULL,//当前目录

&si,//启动信息结构

&pi）;//返回的进程信息

//释放指向子进程的引用

if（bCreateOK）{

CloseHandle（pi.hProcess）;

CloseHandle（pi.hThread）;

}

}

voidParent（）{

//创建“自杀”互斥程序体

HANDLEhMutexSuicide=CreateMutex（

NULL,//缺省的安全性

TRUE,//最初拥有的

g_szMutexName）;//互斥体名称

if（hMutexSuicide!

=NULL）{

//创建子进程

std:

:

cout<<"Creatingthechildprocess."<

:

endl;

StartClone（）;

//指令子进程“杀”掉自身

std:

:

cout<<"Tellingthechildprocesstoquit."<

:

endl;

//等待父进程的键盘响应

getchar（）;

//释放互斥体的所有权，这个信号会发送给子进程的WaitForSingleObject过程

ReleaseMutex（hMutexSuicide）;

//std:

:

cout<<"222"<

:

endl;

//消除句柄

CloseHandle（hMutexSuicide）;

}

}

voidChild（）{

//打开“自杀”互斥体

HANDLEhMutexSuicide=OpenMutex（

SYNCHRONIZE,//打开用于同步

FALSE,//不需要向下传递

g_szMutexName）;//名称

//std:

:

cout<<"111"<

:

endl;

if（hMutexSuicide!

=NULL）{

//报告我们正在等待指令

std:

:

cout<<"Childwaitingforsuicideinstructions."<

:

endl;

//子进程进入阻塞状态，等待父进程通过互斥体发来的信号

//WaitForSingleObject（hMutexSuicide,INFINITE）;

WaitForSingleObject（hMutexSuicide,0）;

//实验1-3步骤4：

将上句改为WaitForSingleObject（hMutexSuicide,0），重新编译执行

//准备好终止，清除句柄

std:

:

cout<<"Childquiting."<

:

endl;

CloseHandle（hMutexSuicide）;

}

}

intmain（intargc,char*argv[]）{

//决定其行为是父进程还是子进程

if（argc>1&&:

:

strcmp（argv[1],"child"）==0）{

Sleep（1000）;

Child（）;

}

else{

Sleep（1000）;

Parent（）;

}

return0;

}

五、实验结果与分析

1）编写基本的Win32ConsolApplication

a）步骤5：

运行不成功可能的原因有：

双引号是全角符号，需改成半角符号。

2）创建进程

a）步骤2：

b）步骤3：

c）步骤4：

nClone初始化的地方不同，程序执行的次数也不同，在判断有无命令行参数之前初始化的话程序只执行规定的最多的次数；之后初始化的话就会无限创建新进程。

由此得出变量的定义和初始化方法（位置）对程序的执行结果有影响，因为中间多了一个判断命令行参数的代码段，这一段代码会更改nClone的值。

3）父子进程的简单通信及终止进程

a）步骤2：

b）步骤3：

程序判断有无命令行参数以及参数是不是child是的话就开启子进程，否则就开启父进程。

父进程在执行克隆的时候给自身加上一把锁从而保证自身是线程安全的函数，同时在CreateProcess的第二个参数传入child参数，保证下次执行的是子进程，如此循环，使得父子进程能够并发进行，实现父子进程的通信。

c）步骤4：

d）步骤5：

CreateMutex作用是找出当前系统是否已经存在指定进程的实例，如果没有则创建一个互斥体；OpenMutex函数为现有的一个已命名互斥体对象创建一个新句柄；ReleaseMutex是一种线性指令，具有释放线程拥有的互斥体的控制权；WaitForSingleObject函数用来检测hHandle事件的信号状态。

由父进程创建一把锁后，子进程不用创建锁，用的时候只需要打开就行，保证同一个时间段只能有父进程或者子进程在运行。

六、小结与心得体会

变量的定义和初始化的位置很重要，因此在进行程序设计的时候需要设置好变量的位置，否则会出现意想不到的问题。

实验二

一、实验题目

实验二Linux进程管理

二、实验目的

通过进程的创建、撤销和运行加深对进程概念和进程并发执行的理解，明确进程和程序之间的区别。

三、总体设计

1）进程的创建

任务要求：

编写一段程序，使用系统调用fork（）创建两个子进程。

当此程序运行时，在系统中有一个父进程和两个子进程活动。

让每一个进程在屏幕上显示一个字符：

父进程显示字符“a”；两子进程分别显示字符“b”和字符“c”。

试观察记录20次运行该程序在屏幕上的显示结果，并分析原因。

步骤1：

使用vi或gedit新建一个forkdemo.c程序，然后拷贝清单2-1中的程序，使用cc或者gcc编译成可执行文件forkdemo。

例如，可以使用gcc–oforkdemoforkdemo.c完成编译。

步骤2：

在命令行输入./fork_demo运行该程序。

步骤3：

观察记录20次运行该程序在屏幕上的显示结果，并分析。

2）子进程执行新任务

任务要求：

编写一段程序，