西安交通大学实验报告
操作系统实验报告
岳凡
2130505141
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。
查看bash版本。
在shell 提示符下输入：
$echo $BASH_VERSION
我们的版本是4.3.42(1)-release
（2）建立bash 脚本，输出Hello word
在编辑器中输入以下内容
#!/bin/bash
echo Hello World!
执行脚本使用指令：
$./script
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
function c ount
{
echo –n " Number of matches for $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。
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
int main()
{
int iUid;
iUid=fork();
if(iUid==0)
for(;;) { printf("This is child process.\n");
sleep(1);
}
if(iUid>0)
for(;;) {
printf("This is parent process.\n");
sleep(1);
}
if(iUid<0) printf("Can not use system call.\n");
return 0;
}
程序运行结果：
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：
asmlinkage int sys_foo（int x）
{ 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()
{
int I,J; I=100; J=0; J=foo(I);
printf("This is the result of new kernel\n");
printf("%d",j);
}
重新编译内核，编译成功后的内核版本如下：
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
asmlinkage long sys_newcall(int i)
{
//printk("this is a system call made by yourself\n");
return(i*10);
}
测试新的System_call
CODE: vi test.c
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：
Child process 1 is killed by parent !!
Child process 2 is killed by parent !!
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：Parent process is killed!!
2.实验源码：
#include
#include
#include
#include
int wait_flag;
void stop( );
main( ) {
int pid1, 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("\n Parent process is killed !!\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("\n Child process 2 is killed by parent !!\n");
exit(0);
}
}
else {
wait_flag = 1;
signal(16,stop); // 等待进程1被杀死的中断号16
printf("\n Child process 1 is killed by parent !!\n");
exit(0);
}
}
void stop( ) {
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“Child process 1 is killed by parent !!” 和“Child process 2 is killed by parent !!”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：
Child process 1 is sending a message!
Child process 2 is sending a message!
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
int pid1,pid2; // 定义两个进程变量
main( ) {
int fd[2];
char OutPipe[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,"\n Child process 1 is sending message!\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,"\n Child process 2 is sending message!\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：
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。
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。
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
int getpid() 获得当前进程的id
void srand ( int a ) 以a为种子产生随机数
int rand() 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（First In First Out）
运行结果截图：
2)最近最少使用算法LRU（Least Recently Used）
运行结果截图：
3)最佳置换算法OPT（Optimal Replacement）
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：
文件创建/删除接口命令create/delete
目录创建/删除接口命令mkdir/rmdir
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：