操作系統(tǒng)實驗報告

1、2015年1月9日成績：姓名沈XX夏XX江XX學(xué)號130558051305580713055816班級13052314專業(yè)計算機科學(xué)與技術(shù)課程名稱操作系統(tǒng)課程設(shè)計任課老師趙偉華指導(dǎo)老師趙偉華實驗序號1實驗名稱進程調(diào)度管理實驗時間15年10月實驗地點1教南1樓一、題目說明（1）用C語言完成線程的創(chuàng)建和撤消，并按先來先服務(wù)方式對多個線程進行調(diào)度。（2）將線程調(diào)度算法修改為時間片輪轉(zhuǎn)算法，實現(xiàn)時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。（也可以結(jié)合優(yōu)先權(quán)，實現(xiàn)優(yōu)先權(quán)加時間片輪轉(zhuǎn)算法的線程調(diào)度。）（3）改變時間片的大小，觀察結(jié)果的變化。思考：為什么時間片不能太小或太大。（4）假設(shè)兩個線程共用同一軟件資源（如某一變量，或某一數(shù)據(jù)結(jié)

2、構(gòu)），請用記錄型信號量來實現(xiàn)對它的互斥訪問。（5）假設(shè)有兩個線程共享一個可存放個整數(shù)的緩沖，其中一個線程不停地計算至的平方，并將結(jié)果放入緩沖中，另一個線程不斷地從緩沖中取出結(jié)果，并將它們打印出來，請用記錄型信號量實現(xiàn)這一生產(chǎn)者和消費者的同步問題。（6）實現(xiàn)消息緩沖通信，并與4、5中的簡單通信進行比較。（7）思考：在線程間進行消息緩沖通信時，若對消息隊列的訪問沒有滿足互斥要求，情況將會怎樣？二、設(shè)計方案（系統(tǒng)框架）該程序主要是分5大塊內(nèi)容：(1)線程的創(chuàng)建和撤銷，(2)線程的調(diào)度，(3)線程的同步與互斥，(4)線程的阻塞與喚醒，(5)利用消息緩沖隊列的線程間的通信。由這五大塊功能來完成的基于DO

3、S的多任務(wù)系統(tǒng)的實現(xiàn)。在這個系統(tǒng)中，首先先由main函數(shù)進行一些初始化工作，然后直接創(chuàng)建0#線程對應(yīng)于main函數(shù)，再由0#線程調(diào)用create創(chuàng)建1#，2#線程分別對應(yīng)與函數(shù)f1(),f2()，最后將系統(tǒng)的中斷服務(wù)程序設(shè)置為new_int8，并把控制交給1#線程，啟動多個線程的并發(fā)執(zhí)行。 0#線程是一個比較特殊的線程，它在創(chuàng)建的時候沒有使用create來創(chuàng)建，而是在系統(tǒng)初始化后直接創(chuàng)建的，因它對應(yīng)的程序段為main函數(shù)中的一段，所以也直接使用整個系統(tǒng)的堆棧，而不再創(chuàng)建時為私有堆棧分配額外的空間；同樣，撤銷的時也不需要釋放私有堆棧的空間，所以也沒有over()函數(shù)而是直接撤銷，從這方面來看，它

4、是一個系統(tǒng)線程。此外，在啟動多個線程并發(fā)執(zhí)行過程后，0#線程將系統(tǒng)控制權(quán)轉(zhuǎn)交出去，直至系統(tǒng)中其他進程都不具備執(zhí)行條件時，它才有可能重新得到CPU，從這方面看，0#線程相當(dāng)于是一個空轉(zhuǎn)線程，最后，0#線程還擔(dān)負著一個特別的使命：等待系統(tǒng)中所有其他的線程的完成，此時，它將直接撤銷自己并恢復(fù)原來的時鐘中斷服務(wù)程序，從此終止整個多任務(wù)系統(tǒng)。三、程序流程圖四、實驗結(jié)果（程序截圖）主界面先進先出效果實現(xiàn)線程的并發(fā)執(zhí)行，可設(shè)置時間片大小 實現(xiàn)線程對同一資源的互斥訪問實現(xiàn)生產(chǎn)者和消費者同步問題 實現(xiàn)消息緩沖通信 五、思考與探索（1） 為什么時間片不能太小或太大答：設(shè)置過長的時間片會導(dǎo)致結(jié)果和進程在一個時間片內(nèi)

5、完成任務(wù)，從而先進先出算法的效果一樣，失去時間片的意，義。設(shè)置過短會導(dǎo)致進程切換頻繁，CPU的效率降低（2） 引起調(diào)度的原因有哪些？答：引起CPU調(diào)度的主要原因有：時間片到時、線程執(zhí)行完畢或正在執(zhí)行的線程因等待某事件發(fā)生而不能繼續(xù)執(zhí)行。（3） 處理中斷時控制轉(zhuǎn)移情況答：當(dāng)中斷發(fā)生時，系統(tǒng)首先將標(biāo)志寄存器Flags的值壓入堆棧，然后將裝有被中斷程序下一條指令地址的CS和IP寄存器的內(nèi)容也分別壓入堆棧，再從中斷向量中獲取中斷服務(wù)程序的入口地址并將它們裝入CS和IP寄存器，這樣，控制就從被中斷的程序轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序。中斷返回時，系統(tǒng)自動從棧頂彈出返址1的偏移、返址1的段址和Flags并送到IP、CS

6、和Flags寄存器中，CPU就開始繼續(xù)從斷點處執(zhí)行被中斷程序。（4） 為什么創(chuàng)建的時候，線程的DS和ES都是一樣的答：因為線程共用進程的數(shù)據(jù)段。（5） 函數(shù)調(diào)度時控制轉(zhuǎn)移情況答：在執(zhí)行函數(shù)調(diào)用指令時，系統(tǒng)會自動地先將主調(diào)函數(shù)的下一條指令的地址（在CS:IP中）壓入堆棧，然后把被調(diào)函數(shù)的入口地址裝入CS和IP 寄存器（段內(nèi)函數(shù)調(diào)用只需壓入和裝配IP），控制就從主調(diào)函數(shù)轉(zhuǎn)向被調(diào)函數(shù)；當(dāng)執(zhí)行函數(shù)返回指令時，系統(tǒng)將當(dāng)前堆棧的棧頂?shù)膬蓚€字（主調(diào)函數(shù)下一條指令的地址）彈出并送到IP和CS中（段內(nèi)函數(shù)返回只需彈出一個字送到IP中），控制就從被調(diào)函數(shù)返回到主調(diào)函數(shù)。（6） new_int8(void)函數(shù)的作

7、用，以及怎樣讓它自動地定期地運行答：該函數(shù)要完成的主要工作包括：首先執(zhí)行老的時鐘中斷處理程序的功能；然后判斷當(dāng)前線程的時間片是否到了，如果到了，且DOS不忙，則保存當(dāng)前線程的運行環(huán)境，重新選擇一個新的就緒線程，恢復(fù)其運行現(xiàn)場，使其在CPU上參加運行。由于該函數(shù)必須是自動地定期地運行，所以我們通過截取時鐘中斷（int 08）來完成。在PC機上，有一個定時器，每當(dāng)它發(fā)一個時鐘信號時（一般情況下，它每秒發(fā)出個信號，除非是對產(chǎn)生該中斷的定時器芯片重新編程），系統(tǒng)就進入時鐘中斷處理程序（INT 8)來完成系統(tǒng)計時、調(diào)用INT 1CH、關(guān)閉磁盤馬達等工作。實驗序號2實驗名稱linux進程管理實驗時間15年

8、12月實驗地點1教南1樓一、題目說明1.熟悉linux的命令接口。2.通過對linux進程控制的相關(guān)系統(tǒng)調(diào)用的編程應(yīng)用，進一步加深對進程概念的理解，明確進程和程序的聯(lián)系和區(qū)別，理解進程并發(fā)執(zhí)行的具體含義。3.通過Linux管道通信機制、消息隊列通信機制、共享內(nèi)存通信機制的使用，加深對不同類型的進程通信方式的理解。4.通過對linux的Posix 信號量的應(yīng)用，加深對信號量同步機制的理解。二、設(shè)計方案（系統(tǒng)框架）1. Shell部分要求：編寫三個不同的程序，每個程序輸出一句話，分別編譯成可執(zhí)行文件 cmd1， cmd2， cmd3。然后再編寫一個程序，模擬 shell 程序的功能，能根據(jù)用戶輸入

9、的字符串（表示相應(yīng)的命令名），去為相應(yīng)的命令創(chuàng)建子進程并讓它去執(zhí)行相應(yīng)的程序，而父進程則等待子進程結(jié)束，然后再等待接收下一條命令。如果接收到的命令為 exit，則父進程結(jié)束；如果接收到的命令是無效命令，則顯示“ Command not found”，繼續(xù)等待。新建三個不同的程序cmd1,cmd2,cmd3然后編譯成可執(zhí)行文件cmd1,cmd2,cmd3之后編寫程序my_shell.c 通過讀取shell命令調(diào)用在使用if else語句判斷識別并分別通過fork()創(chuàng)建子線程，子線程中采用execl(const char *path,const char *arg,);執(zhí)行先前編譯完成的可執(zhí)行文

10、件。2. 由父進程創(chuàng)建一個管道，然后再創(chuàng)建2個子進程，并由這兩個兄弟進程利用管道進行進程通信：子進程1使用管道的寫端，子進程2使用管道的讀端。通信的具體內(nèi)容可根據(jù)自己的需要隨意設(shè)計，要求能試驗阻塞型讀寫過程中的各種情況。運行程序，觀察各種情況下，進程實際讀寫的字節(jié)數(shù)以及進程阻塞喚醒的情況。3編寫程序創(chuàng)建兩個線程：sender線程和receive線程，其中sender線程運行函數(shù)sender()，它創(chuàng)建一個消息隊列，然后，循環(huán)等待用戶通過終端輸入一串字符，將這串字符通過消息隊列發(fā)送給receiver線程，直到用戶輸入“exit”為止；最后，它向receiver線程發(fā)送消息“end”，并且等待re

11、ceiver的應(yīng)答，等到應(yīng)答消息后，將接收到的應(yīng)答信息顯示在終端屏幕上，刪除相關(guān)消息隊列，結(jié)束程序的運行。Receiver線程運行receive()，它通過消息隊列接收來自sender的消息，將消息顯示在終端屏幕上，直至收到內(nèi)容為“end”的消息為止，此時，它向sender發(fā)送一個應(yīng)答消息“over”，結(jié)束程序的運行。使用無名信號量實現(xiàn)兩個線程之間的同步與互斥。4編寫程序sender，它創(chuàng)建一個共享內(nèi)存，然后等待用戶通過終端輸入一串字符，并將這串字符通過共享內(nèi)存發(fā)送給receiver；最后，它等待receiver的應(yīng)答，等到應(yīng)答消息后，將接收到的應(yīng)答信息顯示在終端屏幕上，刪除共享內(nèi)存，結(jié)束程序

12、的運行。編寫receiver程序，它通過共享內(nèi)存接收來自sender的消息，將消息顯示在終端屏幕上，然后再通過該共享內(nèi)存向sender發(fā)送一個應(yīng)答消息“over”，結(jié)束程序的運行。使用無名信號量或System V信號量實現(xiàn)兩個進程對共享內(nèi)存的互斥使用。三、程序流程圖shell無名管道通信發(fā)送者進程（消息隊列通信）接收者進程（消息隊列）主程序（消息隊列通信）共享內(nèi)存思路四、實驗結(jié)果（程序截圖）消息隊列Shell命令五、思考與探索當(dāng)時卡殼的地方（1）我們在設(shè)計程序時，最卡殼的地方在共享內(nèi)存來實現(xiàn)通信時，能不能用無名信號量，最后向老師求助才知道，用有名信號量。相對于無名信號量來說，有名信號量通過IP

13、C名字進行進程間的同步，其特點是把信號量保存在文件中，這決定了其用途非常廣泛：既可用于線程，也可用于相關(guān)進程和不相關(guān)進程。（2）在父子進程的通信里面，無名管道自帶阻塞功能，但他的互斥與同步需要我們自己去實現(xiàn)，經(jīng)過多次查閱資料和測試，我們最后艱難地選擇了System V信號量，并自己寫函數(shù)來實現(xiàn)PV操作（3）在通過消息隊列來實現(xiàn)通信的程序中，我們遇到的問題是，程序莫明其妙的阻塞，但是加入print來測試則又可以正常運行，后來才意識到，這就是進程的異步性的體現(xiàn)哇。最后我們找到死鎖原因，并使用一個資源信號量來解決sender發(fā)送的over信息被自己給接收的問題。（一開始我們還把這個資源信號量當(dāng)作了互

14、斥信號量，在程序驗收時老師告訴我們，只能有一個互斥信號量）實驗序號3實驗名稱文件系統(tǒng)實驗時間16年1月實驗地點1教南1樓一、題目說明通過具體的文件存儲空間的管理、文件的物理結(jié)構(gòu)、目錄結(jié)構(gòu)和文件操作的實現(xiàn)，加深對文件系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、功能以及實現(xiàn)過程的理解。二、設(shè)計方案（系統(tǒng)框架）(1)在內(nèi)存中開辟一個虛擬磁盤空間作為文件存儲分區(qū)，在其上實現(xiàn)一個簡單的基于多級目錄的單用戶單任務(wù)系統(tǒng)中的文件系統(tǒng)。在退出該文件系統(tǒng)的使用時，應(yīng)將該虛擬文件系統(tǒng)以一個Windows 文件的方式保存到磁盤上，以便下次可以再將它恢復(fù)到內(nèi)存的虛擬磁盤空間中。(2)文件存儲空間的分配可采用顯式鏈接分配或其他的辦法。(3)空閑磁

15、盤空間的管理可選擇位示圖或其他的辦法。如果采用位示圖來管理文件存儲空間，并采用顯式鏈接分配方式，那么可以將位示圖合并到FAT中。(4)文件目錄結(jié)構(gòu)采用多級目錄結(jié)構(gòu)。為了簡單起見，可以不使用索引結(jié)點，其中的每個目錄項應(yīng)包含文件名、物理地址、長度等信息，還可以通過目錄項實現(xiàn)對文件的讀和寫的保護。(5)實現(xiàn)以下函數(shù)：my_format：對文件存儲器進行格式化，即按照文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對虛擬磁盤空間進行布局，并在其上創(chuàng)建根目錄以及用于管理文件存儲空間等的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。my_mkdir：用于創(chuàng)建子目錄。my_rmdir：用于刪除子目錄。my_ls：用于顯示目錄中的內(nèi)容。my_cd：用于更改當(dāng)前目錄。my_cre

16、ate：用于創(chuàng)建文件。my_open：用于打開文件。my_close：用于關(guān)閉文件。my_write：用于寫文件。my_read：用于讀文件。my_rm：用于刪除文件。my_exitsys：用于退出文件系統(tǒng)。三、程序流程圖創(chuàng)建新目錄創(chuàng)建文件和目錄相似刪除目錄 讀文件初始化 主程序刪除文件打開文件四、實驗結(jié)果（程序截圖）界面五、思考與探索文件系統(tǒng)的難點：文件系統(tǒng)是我們經(jīng)歷的最難的一個實驗了。除了代碼量大，還有就是很難理解。下面是我們在和組員交流我們的代碼時，組員的問題和解答（可能有不準(zhǔn)確的地方）（1）.和.兩個特殊的目錄項，他們的first（文件起始盤塊號）指向哪里？答：在根目錄中，它們兩個都指向同一個盤塊，就是他自己。但其他文件中，“.”指向他自己的起始盤塊號，而“.”指向他父親的起始盤塊號（2）為什么在my_format()函數(shù)中，fat1 = (fat *)(myvhard + BLOCKSIZE);fat2 = (fat *)(myvh