中原工学院操作系统实验报告

1、计算机操作系统实验报告专 业： 网络工程 班 级： 162班 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2019/06/06目 录实验一 进程控制3一、实验目的：3二、实验平台：4三、实验内容：4实验结果5单线程执行结果：7实验总结8实验二 进程同步8一、实验目的：8二、实验平台：8三、实验内容：9执行结果12实验总结12实验三 添加内核模块12一、实验目的：12二、实验平台：13三、实验内容：13readprocess.c代码：14Makefile代码：15processinfo文件源代码：17Makefile文件源代码：18实验总结20实验四 统计操作系统缺页次数20实验目的20实验内容21实验过

2、程211. 修改内核源代码，添加统计变量212. 配置编译新内核233. 编译内核和模块244. 安装新内核模块和新内核245. 编写读取pfcount值的模块代码256.编译、构建内核模块267.加载模块到内核中26实验总结27实验五 EXT4文件系统结构分析27一、实验目的：27二、实验平台：27三、实验内容：27实验总结31实验一 进程控制一、实验目的：加深对进程概念的理解，明确进程和程序的区别；掌握Linux操作系统的进程创建和终止操作，体会父进程和子进程的关系及进程状态的变化；进一步认识并发执行的实质，编写并发程序。二、实验平台：虚拟机：VMWare9以上操作系统：Ubuntu12.

3、04以上编辑器：Gedit | Vim编译器：Gcc三、实验内容：（1）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“身份信息”：父进程显示“Parent process! PID=xxx1 PPID=xxx2”；子进程显示“Childx process! PID=xxx PPID=xxx”。多运行几次，观察记录屏幕上的显示结果，并分析原因。说明：xxx1为进程号，用getpid()函数可获取进程号；xxx2为父进程号，用getppid()函数可获取父进程号；Childx中x为1和2，用来区别两个子进程；w

4、ait()函数用来避免父进程在子进程终止之前终止。程序源码：#include#include#include#define NUM 2int main(void) pid_t pid1,pid2; if(pid1=fork()0) printf(创建进程1失败); else if(pid1=0) /子进程1执行 printf(Child1 process: ); printf(PID=%d PPID=%d n,getpid(),getppid(); sleep(2); else if(pid2=fork()0) printf(创建进程2失败); else if(pid2=0) /子进程2执行

5、printf(Child2 process: ); printf(PID=%d PPID=%d n,getpid(),getppid(); else /父进程执行 wait(); wait(); printf(Parent process: ); printf(PID=%d PPID=%d n,getpid(),getppid(); exit(0); 实验结果whtcmisswhtcmiss-VirtualBox:/Desktop$ gcc test1.c -o testwhtcmisswhtcmiss-VirtualBox:/Desktop$ ./testChild2 process: PI

6、D=2527 PPID=2525 Child1 process: PID=2526 PPID=2525 Parent process: PID=2525 PPID=2127 whtcmisswhtcmiss-VirtualBox:/Desktop$ ./testChild2 process: PID=2530 PPID=2528 Child1 process: PID=2529 PPID=2528 Parent process: PID=2528 PPID=2127 whtcmisswhtcmiss-VirtualBox:/Desktop$ ./testChild2 process: PID=

7、2533 PPID=2531 Child1 process: PID=2532 PPID=2531 Parent process: PID=2531 PPID=2127实验结果分析：第一次程序运行结果，两个子进程的PPID都是2525，是由同一个进程创建。而父进程PID是2525，父进程PPID是2127，说明父进程也是一系统进程的子进程。第二次程序运行结果，父进程PID是2528，PPID是2127，说明父进程是由同一进程创建的，父进程也是以子进程的方式存在，且进程ID是逐渐递增的。（2）fork()和exec()系列函数能同时运行多个程序，利用上述函数将下面单进程顺序执行的程序single

8、.c改造成可并发执行3个进程的程序multi_process.c；并用time命令获取程序的执行时间，比较单进程和多进程运行时间，并分析原因。 /single.c#include #define NUM 5 int main(void) void print_msg(char *m); print_msg(Good ); print_msg(Morning ); print_msg(201608030222n); return 0; void print_msg(char *m) int i; for(i = 0; iNUM; i+) printf(%s,m); fflush(stdout);

9、 sleep(1);编译运行方法：#gcc single.c o single#time ./single单线程执行结果：多线程代码：#multi_process.c#include #include#include#define NUM 5int main(void) pid_t pid3; int i; for(i=1;i=3;i+) pidi-1=fork(); if(pidi-1=0|pidi-1=-1) break; if(pid0=0) execl(print,print,Good,NULL); else if(pid1=0) execl(print,print,Hello,NUL

10、L); else if(pid2=0) execl(print,print,201608030222,NULL); wait(); wait(); wait(); exit(0); return 0; 实验分析：第二个实验结果，第二个程序的多线程因为是并发执行，而且是有三个线程，所以在时间上几乎是单线程的1/3，而且因为是并发的，所以打印结果是无序的。实验总结本次实验首先要明确进程和程序的区别，我通过在Linux操作系统的进程创建和终止操作，运行父进程和子进程，查看运行结果和进程状态的变化。实验过程中也了解了父进程与子进程的运行过程及其机制。实验二 进程同步一、实验目的：掌握基本的同步算法，理

11、解经典进程同步问题的本质；学习使用Linux的进程同步机制，掌握相关API的使用方法；能利用信号量机制，采用多种同步算法实现不会发生死锁的哲学家进餐程序。二、实验平台：虚拟机：VMWare9以上操作系统：Ubuntu12.04以上编辑器：Gedit | Vim编译器：Gcc三、实验内容：（1）以哲学家进餐模型为依据，在Linux控制台环境下创建5个进程，用semget函数创建一个信号量集（5个信号量，初值为1），模拟哲学家的思考和进餐行为：每一位哲学家饥饿时，先拿起左手筷子，再拿起右手筷子；筷子是临界资源，为每一支筷子定义1个互斥信号量；想拿到筷子需要先对信号量做P操作，使用完释放筷子对信号量

12、做V操作。伪代码描述：semaphore chopstick5=1,1,1,1,1;第i位哲学家的活动可描述为： do printf(%d is thinkingn,i); printf(%d is hungryn,i); wait(chopsticki); /拿左筷子 wait(chopstick(i+1) % 5); /拿右筷子 printf(%d is eatingn,i); signal(chopsticki); /放左筷子 signal(chopstick(i+1) % 5); /放右筷子 whiletrue; 运行该组进程，观察进程是否能一直运行下去，若停滞则发生了什么现象？并分析

13、原因。实验结果：源码如下：#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include union semunint val;struct semid_ds *buf;unsigned short *array;struct seminfo *_buf;#define ERR_EXIT(m) do perror(m); exit(EXIT_FAILURE); while(0)/获取互斥信号量void wait_mutex(int mutex)

14、struct sembuf sb=0,-1,0;semop(mutex,&sb,1);/对互斥信号量进行操作/取得筷子void wait_v(int semid,int num)struct sembuf sb=num,-1,0;semop(semid,&sb,1);/释放筷子void signal_p(int semid,int num)struct sembuf sb=num,1,0;semop(semid,&sb,1);/释放互斥变量mutexvoid signal_mutex(int semid0)struct sembuf sb=0,1,0;semop(semid0,&sb,1);/

15、ph函数void ph(int num,int semid,int semid0)int left=num;int right=(num+1)%5;for(;)printf(%d is thinkingn,num);sleep(1);printf(%d is hungryn,num);sleep(1);/wait操作，控制哲学家最多4人能进餐wait_mutex(semid0);wait_v(semid,left);wait_v(semid,right);printf(%d is eatingn,num);sleep(1);/signal操作signal_p(semid,right);/释放右

16、筷子signal_p(semid,left);/释放左快子signal_mutex(semid0);/释放互斥信号量int main(int argc,char *argv)int semid,semid0;/创建两个信号量集semid0=semget(IPC_PRIVATE,1,IPC_CREAT | 0666);semid=semget(IPC_PRIVATE,5,IPC_CREAT | 0666);/union semun su;su.val=1;int i;for(i=0;i5;i+)/semctl()系统调用在一个信号量集(或集合中的单个信号量)上执行各种控制操作semctl(sem

17、id,i,SETVAL,su);/设定semid0信号量的初始值union semun su0;su0.val=4;semctl(semid0,0,SETVAL,su0);/创建4个子进程int num=0;pid_t pid;for(i=1;i5;i+)pid=fork();if(pid0) ERR_EXIT(fork);if(pid=0) num=i;break;/第num个哲学家要做的事ph(num,semid,semid0);return 0;执行结果实验总结 哲学家进餐的问题是操作系统信号量同步的经典例题了。这次我通过解决哲学家进餐的哲学问题从而对进程同步有一个更好的理解，解决这个问

18、题书中给出了三种解决方法。我在实验中也是用这三种方法去定义信号量解决死锁问题。通过信号量的获取与wait操作去控制进餐是通过互斥信号量的获取，若没有信号量便不能执行，而且只有四个哲学家能同时进餐也避免了死锁的出现。 实验三 添加内核模块一、实验目的：学习Linux模块的基本概念和原理，学习内核模块编程的基本技术，利用内核模块编程访问进程描述符，操作内核的基本数据结构，加深对进程的理解；理解proc文件系统的作用，学习proc文件的创建方法，掌握这种用户态和核心态通信的方法。二、实验平台：虚拟机：VMWare9操作系统：Ubuntu12.04编辑器：Gedit | Vi三、实验内容：（1）阅读内

19、核模块实例hello.c，掌握内核模块的主要构成；阅读Makefile文件，理解内核模块的编译方法及执行过程；掌握模块安装、卸载，以及查看模块信息的方法。将hello.o和Makefile文件放在一个文件夹workspace中，使用make命令使其生成了hello.ko等文件，如图：使用命令载入模块，如图：使用命令显示载入系统的模块，如图：使用dmesg命令查看系统的内核模块信息如图：使用sudo rmmod hello命令卸载该模块：（2）设计一个模块，功能是列出系统中所有内核进程的程序名、PID号和进程状态。主要步骤：阅读内核源代码，了解进程描述符task_struct中与本实验有关的成员

20、项，以及访问进程队列的宏for_each_process；编写readprocess模块，获取进程信息；修改Makefile文件，编译、安装模块，查看输出信息；查看模块信息，卸载模块。源代码如下：readprocess.c代码：#include #include #include #include MODULE_LICENSE(GPL); static int mod_init_readprocess(void); static void mod_exit_readprocess(void);module_init(mod_init_readprocess); module_exit(mod_

21、exit_readprocess); int mod_init_readprocess(void) printk(KERN_INFOstartn);struct task_struct *p; printk(display moudleinfo is :n); for_each_process(p) printk(NAME:%stt PID:%dtt STATE:%ldttn,p-comm,p-pid,p-state); return 0; void mod_exit_readprocess(void) printk(KERN_INFOendn); Makefile代码：ifneq ($(KE

22、RNELRELEASE),)obj-m:=readprocess.oelseKDIR:= /lib/modules/$(shell uname -r)/buildPWD:= $(shell pwd)default:$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modulesclean:$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) cleanEndif将process.c和Makefile文件放在同一个文件夹下使用make函数生成后缀为.ko文件：使用命令载入模块，如图：使用lsmod命令显示载入系统的模块，如图：使用dmesg命令查看到系统的内核模块信息 ，如图：使用sud

23、o rrmod hello命令卸载该模块，如图：（3）利用内核模块编程，在/proc目录下用自己的学号创建一个目录，如/proc/201300834101然后在学号目录下创建一个processinfo文件，如/proc/201300834101/processinfo，此文件为只读文件，用于显示所有内核进程的程序名、PID号和进程状态。主要步骤：修改（2）中readprocess模块，在模块初始化函数中创建目录及proc文件，并定义产生proc文件内容的函数（获取进程信息）；在卸载模块函数中删除相应的proc文件及目录；修改Makefile文件，编译、安装模块；执行cat /proc/2013

24、00834101/processinfo命令，查看进程信息。processinfo文件源代码：#include#include#include#include#includeMODULE_LICENSE(GPL);static int mod_init_readprocess(void);static void mod_exit_readprocess(void);module_init(mod_init_readprocess);module_exit(mod_exit_readprocess);struct proc_dir_entry *feeyu_dir,*processinfo_fi

25、le;int processinfo_read_procmem(char *page,char *start,off_t offset,int count,int *eof,void *data);int mod_init_readprocess(void)printk(KERN_INFOLets Gon);feeyu_dir=proc_mkdir(201300824419,NULL);processinfo_file=create_proc_read_entry(processinfo,0,cg_dir,processinfo_read_procmem, NULL );return 0;vo

26、id mod_exit_readprocess(void)remove_proc_entry(processinfo,cg_dir);remove_proc_entry(201300824419,NULL);printk(KERN_INFOThank Youn);int processinfo_read_procmem(char *page,char *start,off_t offset,int count,int *eof,void *data)int len=0;struct task_struct *p;printk(所有内核进程信息：n);for_each_process(p) le

27、n+=sprintf(page+len,NAME:%sPID:%dSTATE:%ldn,p-comm,p-pid,p-state);return len; Makefile文件源代码：ifneq ($(KERNELRELEASE),)obj-m:=processinfo.oelseKDIR:= /lib/modules/$(shell uname -r)/buildPWD:= $(shell pwd)default:$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modulesclean:$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) cleanEndif加载模块： 查看模块是

28、否存在：查看模块信息：查看进程信息：卸载模块后实验总结这次实验内容较多，重要是通过一些命令和代码对内核模块的进程进行操作。使用命令对系统内核模块进行操作，通过processinfo文件和makefile文件对内核中的进程进行读写等操作。实验很繁杂。但思路清晰后也能较完整的把整个实验做下来。通过这次实验，我对内核模块的操作及内核的一些进程上的操作有的一定的了解。实验四 统计操作系统缺页次数实验目的学习虚拟内存的基本原理和Linux虚拟内存管理技术；深入理解、掌握Linux的按需调页过程；掌握内核模块的概念和操作方法，和向/proc文件系统中增加文件的方法；综合运用内存管理、系统调用、proc文件

29、系统、内核编译的知识。实验内容1.原理Linux的虚拟内存技术采用按需调页，当CPU请求一个不在内存中的页面时,会发生缺页,缺页被定义为一种异常（缺页异常），会触发缺页中断处理流程。每种CPU结构都提供一个do_page_fault处理缺页中断。由于每发生一次缺页都要进入缺页中断服务函数do_page_fault一次，所以可以认为执行该函数的次数就是系统发生缺页的次数。因此可以定义一个全局变量pfcount 作为计数变量，在执行do_page_fault时，该变量值加1。本实验通过动态加载模块的方法，利用/proc文件系统作为中介来获取该值。2.实验环境 操作系统：Ubuntu 12.04（内

30、核版本为3.2.0-23-generic-pae）内核源码：linux-3.2.58实验过程下载一份内核源代码并解压Linux受GNU通用公共许可证（GPL）保护，其内核源代码是完全开放的。现在很多Linux的网站都提供内核代码的下载。推荐使用Linux的官方网站：。在terminal下可以通过wget命令下载源代码：$ cd /tmp$ wget /pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.2.58.tar.xz切换到root身份，解压源代码到/usr/src目录下：# xz d linux-3.2.58.tar.xz# tar xvf linux-3.2.58.tar C

31、 /usr/src2. 修改内核源代码，添加统计变量1、切换到预编译内核目录#cd /usr/src/linux-3.2.582、修改处理内存访问异常的代码/用vi编辑器打开fault.c，一般使用Intel x86体系结构，则修改arch/x86/目录下的文件#vi arch/x86/mm/fault.c#cd arch/x86/mm#sudo gedit fault.c/在do_page_fault函数的上一行定义统计缺页次数的全局变量pfcountunsigned long volatile pfcount;/将pfcount加入到do_page_fault中，用以统计缺页次数pfcou

32、nt+;3、修改内存管理代码/用vi编辑器打开头文件mm.h#vi include/linux/mm.h/在mm.h中加入全局变量pfcount的声明，代码加在extern int page_cluster;语句之后extern unsigned long volatile pfcount;4、导出pfcount全局变量，让整个内核（包括模块）都可以访问。方法是：#cd kernel#sudo gedit kallsyms.c/在文件最后加入一行代码EXPORT_SYMBOL(pfcount);配置编译新内核用编译Linux内核预备实验中的方法完成新内核的配置、编译、替换，重启后验证是否完成替

33、换。在编译内核前，一般来说都需要对内核进行相应的配置。配置是精确控制新内核功能的机会。配置过程也控制哪些需编译到内核的二进制映像中(在启动时被载入)，哪些是需要时才装入的内核模块（module）。首先进入内核源代码目录：# cd /usr/src/linux-3.2.58如果不是第一次编译的话，有必要将内核源代码树置于一种完整和一致的状态。因此，推荐执行命令make mrproper。它将清除目录下所有配置文件和先前生成核心时产生的.o文件：#make mrproper （如果是第一次可跳过此步）然后配置编译选项（此处使用原内核的配置文件，完整的配置命令看操作提示）：# cp /boot/co

34、nfig-3.2.0-20-generic-pae .config该命令的作用是将原内核配置文件拷贝的当前目录下，并命名为.config。若需要进一步修改配置请参照操作提示。在编译前用#uname -r查看原来的版本4. 编译内核和模块编译内核，就用：#make编译内核需要较长的时间，具体与机器的硬件条件及内核的配置等因素有关（采用VMWare虚拟机，需要约60分钟）。完成后产生的内核文件bzImage的位置在/usr/src/linux/arch/i386/boot目录下，当然这里假设用户的CPU是Intel x86型的，并且你将内核源代码放在/usr/src/linux目录下。如果选择了可

35、加载模块，编译完内核后，要对选择的模块进行编译，可用：#make modules安装新内核模块和新内核首先，用下面的命令将新内核模块安装到系统的标准模块目录中：#make modules_install此处有改动选择了取消 然后，用下面的命令将新内核安装到系统中：# make install通常，Linux在系统引导后从/boot目录下读取内核映像到内存中。因此如果想要使用自己编译的内核，就必须用make install命令将启动文件（内核映像）安装到/boot目录下。6. 编写读取pfcount值的模块代码系统重启后，执行如下操作：#mkdir source /在当前用户目录下创建sourc

36、e文件夹，用于存放编写的用户程序#cd source /切换到source目录#vi pf.c /新建用于构建模块的代码/*pf.c*/ /*modules program*/#include #include #include #include #include #include #include struct proc_dir_entry *proc_pf; struct proc_dir_entry *proc_pfcount;extern unsigned long pfcount;static inline struct proc_dir_entry *proc_pf_create(

37、const char* name, mode_t mode, read_proc_t * get_info) return create_proc_read_entry(name,mode,proc_pf,get_info,NULL);int get_pfcount(char *buffer, char *start, off_t offset, int length, int *peof, void *data) int len = 0; len = sprintf(buffer, %ld n, pfcount); return len;static int pf_init(void) proc_pf = proc_mkdir(pf, 0); proc_pf_create(pfcount, 0, get_pfcount); return 0;static void pf_exit(void) remove_proc_entry(pfcount,proc_pf); remove_proc_entry(pf,0);module_init(pf_init);module_exit(pf_exit);MODULE_LICENSE(GPL);7编译、构建内核模块#vi Makefile /在source目录下建立Makefile文件在Makefile中