合操作系统实验指导书612.docx

1、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

2、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

3、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

4、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：#includeint main() printf(Hello,Wrold!n

5、);编辑完成后，点击“保存”，保存文件。#includevoid main() int x,y; printf(please input x:); scanf(%d,&x); if(x6) y = x - 12; printf(x = %d,y = %dn,x,y); else if(x15) y =3 * x - 1; printf(x = %d,y = %dn,x,y); else y = 5 * x + 9; printf(x = %d,y = %dn,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 -o filename1

6、 filename.c（或者gcc filename.c -o filename1），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“gcc hello.c -o hello”，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

7、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_t fork(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

8、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（child process）。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fo

9、rk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2.1 fork()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#includeintmain(intargc,char* argv )intpid = fork();if(pid 0)printf(error!);elseif(

10、 pid = = 0 )printf(This is the child process!);else printf(This is the parent process! child process id = %d, pid);return0;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：pi

11、d_t wait (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#includeint main(intargc,char* argv

12、)pid_t pid;int status,i;if(fork()= =0)printf(This is the child process .pid =%dn，getpid();exit(5);elsesleep(1);printf(This is the parent process ,wait for child.n)；pid=wait(&status);i=WEXITSTATUS(status);printf(childs pid =%d .exit status=%dn，pid , i);3. waitpid()函数头文件：#include#include函数原型：pid_t wai

13、tpid(pid_t pid,int * status,int options)；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：pid0 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

14、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WIFSIGNAL

15、ED 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：void exit(int status);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

16、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“I am father”，儿子进程执行时屏幕显示“I am son”，女儿进程执行时屏幕显示“I am da

17、ughter”。#include #include#include#includeint main() int pid; printf(fork program starringn); pid = fork(); if(pid = 0) printf(sonn); else pid = fork(); if(pid =0) printf(daughtern); else printf(fathern); 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

18、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#includeint main()int n;char *message;int pid,status,i;printf(fork program starringn);pid = fork();if(pid = 0) mes

19、sage=son; n = 3; else pid = fork(); if(pid =0) message=daughter; n = 3; else message=father; n = 3;for(;n0;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

20、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进程名name；要求运行时间 runtime；已运行时间runedtime；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3.1 PCB链表3. rand(

21、)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：int rand(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：void srand(unsigned seed)；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

22、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

23、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

24、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_t time(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#includevoid main()

25、int i,j; srand(10); /srand(int)time(0); for (i=0; i10; i+) j = (int) (rand()%20; printf( %dn , j); 4. malloc()函数头文件：#include函数原型：void * malloc(unsigned int size);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struc

26、t PCB int name; int runtime;int runedtime; int killtime;struct PCB *next;typedef struct PCB PCB;(2) 创建就绪列表#define LEN sizeof(PCB)PCB *runqueue;/运行队列指针PCB *top,*tail,*temp;/就绪队列指针int i;srand(int)time(0);for(i=0;iname=i; temp-runtime=rand()%15; temp-runedtime=0; temp-next=NULL; temp-killtime=0; if(i=0

27、) top=temp; tail=temp; else tail-next=temp; tail=temp; printf(process name %d, runtime=%d, runedtime=%d,killtime=%dn, 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

28、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（36），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