XX学校
实验报告
2011 年 3 月
目录
实验1 进程管理. 3
一、实验目的. 3
二、实验内容. 3
三、实验要求. 3
四、程序说明和程序流程图. 4
五、程序代码. 5
六、程序运行结果及分析. 7
七．指导教师评议. 8
实验2 进程通信. 9
一、实验目的. 9
二、实验内容. 9
三、实验要求. 9
四、程序说明和程序流程图. 9
五、程序代码. 11
七．指导教师评议. 14
实验3 存储管理. 15
一、实验目的. 15
二、实验内容. 15
三、实验要求. 15
四、程序说明和程序流程图. 16
六、程序运行结果及分析. 23
七．指导教师评议. 23
实验4 文件系统. 24
一、实验目的. 24
二、实验内容. 24
三、实验要求. 24
四、程序说明和程序流程图. 24
五、程序代码. 26
六、程序运行结果及分析. 26
七．指导教师评议. 27
实验1 进程管理
一、实验目的
1. 弄清进程和程序的区别，加深对进程概念的理解。
2. 了解并发进程的执行过程，进一步认识并发执行的实质。
3. 掌握解决进程互斥使用资源的方法。
二、实验内容
1. 管道通信
使用系统调用pipe( )建立一个管道，然后使用系统调用fork( )创建2个子进程p1和p2。这2个子进程分别向管道中写入字符串：“Child process p1 is sending message！”和“Child process p2 is sending message！”，而父进程则从管道中读出来自两个子进程的信息，并显示在屏幕上。
2. 软中断通信
使用系统调用fork( )创建2个子进程p1和p2，在父进程中使用系统调用signal( )捕捉来自键盘上的软中断信号SIGINT(即按Ctrl-C)，当捕捉到软中断信号SIGINT后，父进程使用系统调用kill( )分别向2个子进程发出软中断信号SIGUSR1和SIGUSR2，子进程捕捉到信号后分别输出信息“Child process p1 is killed by parent！”和“Child process p2 is killed by parent！”后终止。而父进程等待2个子进程终止后，输出信息“Parent process is killed！”后终止。
三、实验要求
1. 根据实验内容编写C程序。
2. 上机调试程序。
3. 记录并分析程序运行结果。
四、程序说明和程序流程图
实验1管道通信——所涉及的流程图：
实验2软中断信号——所涉及的流程图：
五、程序代码
/*expe1_1.c*/
#include <stdio.h>
void main( )
{
int i, r, p1, p2, fd[2];
char buf[50], s[50];
pipe(fd); /* 父进程建立管道 */
while ((p1=fork())==-1); /* 创建子进程P1，失败时循环 */
if (p1==0) /* 由子进程P1返回，执行子进程P1 */
{
lockf(fd[1], 1, 0); /* 加锁锁定写入端 */
sprintf(buf, "Child process P1 is sending messages! \n");
printf("Child process P1! \n");
write(fd[1], buf, 50); /* 把buf中的50个字符写入管道 */
sleep(5); /* 睡眠5秒，让父进程读 */
lockf(fd[1], 0, 0); /* 释放管道写入端 */
exit(0); /* 关闭P1*/
}
else /* 从父进程返回，执行父进程 */
{
while ((p2=fork())==-1); /* 创建子进程P2，失败时循环 */
if (p2==0) /* 从子进程P2返回，执行子进程P2 */
{
lockf(fd[1], 1, 0); /* 锁定写入端 */
sprintf(buf, "Child process P2 is sending messages! \n");
printf("Child process P2! \n");
write(fd[1], buf, 50); /* 把buf中的字符写入管道 */
sleep(5); /* 睡眠5秒，让父进程读 */
lockf(fd[1], 0, 0); /* 释放管道写入端 */
exit(0); /* 关闭P2*/
}
wait(0);
if ((r=read(fd[0], s, 50))== -1)
printf("cannot read pipe! \n");
else printf("%s", s);
wait(0);
if ((r=read(fd[0], s, 50))== -1)
printf("cannot read pipe! \n");
else printf("%s", s);
exit(0);
}
}
/*exp1-2.c*/
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<signal.h>
int p1,p2;
void main()
{
void ppdo();
void p1do();
void p2do();
signal(SIGINT,ppdo);
p1=fork();
if(p1==0)
{
signal(SIGUSR1,p1do);
for(;;);
}
else {
p2=fork();
if(p2==0) {
signal(SIGUSR2,p2do);
for(;;);
}
}
wait(0);
wait(0);
printf("\nParent process is killed!\n");
exit(0);
}
void ppdo()
{
kill(p1,SIGUSR1);
kill(p2,SIGUSR2);
}
void p1do()
{
printf("\nChild process p1 is killed by parent!\n");
exit(0);
}
void p2do()
{
printf("\nChild process p2 is killed by parent!\n");
exit(0);
}
六、程序运行结果及分析
实验1管道通信运行结果截图
实验1管道通信结果分析
父进程建立后，创建了子进程P1，P2，然后P1，P2分别向管道中写入字符串“Child process p1 is sending message!”和“Child process p2 is sending message!”，父进程从管道中读取字符串。
实验2软中断通信运行结果截图
实验2软中断通信结果分析
先预设中断信号SIGINT，再先后创建子进程P1和P2，预设中断信号SIGUSR1，SIGUER2，当我们按下“Ctrl+C”时，父进程发出中断信号SIGUSR1和SIGUSR2，通知子进程P1和P2，子进程捕捉到信号后分别输出相应的信息后，终止，最后输出“Parent process is killed!”后终止。
实验后思考：
通过这次实验，深刻地了解到了管道通信和软中断通信的详细过程，深化了老师课堂上的讲解，对整个过程的把握也更加清晰了。
很值得的一次学习经历，做完实验，再画流程图，程序运行的细节熟悉于心，了如指掌。
七．指导教师评议
成绩等级
实验2 进程通信
一、实验目的
1. 了解进程间通信IPC的三种方式：消息队列、共享内存和信号量。
2. 掌握使用消息队列进行进程间通信的有关系统调用和编程方法。
3. 掌握使用共享内存进行进程间通信的有关系统调用和编程方法。
二、实验内容
1. 消息队列
使用系统调用msgget( )、msgsnd( )、msgrcv( )和msgctl( )，用消息队列机制实现客户进程和服务器进程间的通信。客户进程首先建立一个描述符为msgqid的消息队列，接着向服务器进程发送一个消息正文为自己的进程标识pid且类型为1的消息，然后接收来自服务器进程的消息，并在屏幕上显示：“Client receives a message from xxxx！”，其中“xxxx”为服务器进程的进程标识。服务器进程首先捕捉软中断信号(除不能捕捉的SIGKILL)，若捕捉到时则调用函数cleanup( )删除消息队列，终止服务器进程。否则重复下列操作：接收所有类型为1的消息，并在屏幕上显示：“Server receives a message from xxxx！”，其中“xxxx”为客户进程的进程标识；然后服务器进程将客户进程的进程标识作为返回消息的类型，而将自己的进程标识作为消息正文发送给客户进程。
2. 共享内存
使用系统调用shmget( )、shmat( )和shmctl( )，用共享内存机制实现进程间的通信。其中一个进程向共享内存中写入数据，另一个进程从共享内存中读出数据并显示在屏幕上。
三、实验要求
1. 根据实验内容编写C程序。
2. 上机调试程序。
3. 记录并分析程序运行结果。
四、程序说明和程序流程图
实验1消息队列流程图
五、程序代码
实验1消息队列
/* msg_client.c */
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#define MSGKEY 75
struct msgform
{
long mtype;
char mtext[256];
}
main()
{
struct msgform msg;
int msgqid,pid,*pint; /* 文件主 同组用户 其他用户 rwxrwxrwx */
msgqid=msgget(MSGKEY,0777); /* rw-rw-rw- */
pid=getpid();
pint=(int*)msg.mtext;
*pint=pid;
msg.mtype=1;
msgsnd(msgqid,&msg,sizeof(int),0);
msgrcv(msgqid,&msg,256,pid,0);
printf("client: receive from pid %d\n",*pint);
}
/* msg_server.c */
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#define MSGKEY 75
struct msgform
{ long mtype;
char mtext[256];}msg;
int msgqid;
main()
{
int i,pid,*pint;
extern cleanup();
for (i=0;i<20;i++)
signal(i,cleanup);
msgqid=msgget(MSGKEY, 0777|IPC_CREAT);
for (;;)
{ msgrcv(msgqid,&msg, 256,1,0);
pint=(int*)msg.mtext;
pid=*pint;
printf("server: receive from pid %d\n",pid);
msg.mtype=pid;
*pint=getpid();
msgsnd(msgqid,&msg,
sizeof(int),0);}}
cleanup()
{
msgctl(msgqid,IPC_RMID,0);
exit(0);
}
实验2共享内存
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/shm.h>
#define SHMKEY 75
#define K 1024
int shmid;
main()
{
int i, * pint;
char * addr;
extern char * shmat();
shmid = shmget(SHMKEY, 8 * K, 0777);
addr = shmat (shmid,0,0);
pint = (int *)addr;
while ( * pint==0 )
for (i=0; i<256; *pint++)
printf("%d\n", *pint++);
}
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/shm.h>
#define SHMKEY 75
#define K 1024
int shmid;
main()
{
int i, * pint;
char * addr;
extern char * shmat();
extern cleanup();
for(i=0; i<20; i++)
sinal (i, cleanup);
shmid = shmget (SHMKEY, 16 * K, 0777|IPC_CREAT);
addr = shmat (shmid,0,0);
printf("addr 0x%x \n", addr);
pint = (int *)addr;
for(i=0; i<256; i++)
*pint++ =i;
pint = (int *)addr;
*pint = 256;
pause();
}
cleanup()
{
shmctl (shmid, IPC_RMID, 0);
exit(0);
}
六、程序运行结果及分析
实验1消息队列运行结果截图
客户端：
服务器端：
实验1消息队列结果分析
服务端程序监听软中断，建立消息队列，循环在队列中接收类型为1的消息，每接收一个消息向队列中增加一个类型为客户进程ID的消息。当发生软中断时，删除消息队列。
客户端进程创建和服务端相同的消息队列，并向消息队列中发送类型为1的消息，然后接收类型为客户进程ID的消息。
实验后思考：
对消息队列的运行情况有所了解，但关于内存共享部分尚需仔细研究。
七．指导教师评议
成绩等级
实验3 存储管理
一、实验目的
1. 了解虚拟存储管理技术的原理与特点。
2. 掌握请求页式存储管理的页面置换算法。
二、实验内容
1. 通过随机数产生一个指令序列，共320条指令。指令的地址按下述原则生成：
(1) 50%的指令是顺序执行的；
(2) 25%的指令均匀分布在前地址部分；
(3) 25%的指令均匀分布在后地址部分。
实现方法：
(1) 在[0，319]的指令地址中随机选取一起点s；
(2) 执行指令s；
(3) 顺序执行一条指令，即执行地址为s+1的指令；
(4) 在前地址[0，s]中随机选取一条地址为m的指令执行；
(5) 顺序执行一条指令，即执行地址为m+1的指令；
(6) 在后地址[m+2，319]中随机选取一条指令s；
(7) 重复(2)—(6)，直到执行320次指令。
2. 将指令序列变换为页地址流，设：
(1) 页面大小为1K；
(2) 用户内存容量为4—32页面(page frame)；
(3) 用户虚存容量为32K(即32页)。
若10条指令为1页，则320条指令在虚存中的存放方式为：
第0页(虚存地址[0，9])——第0条~第9条指令；
第1页(虚存地址[10，19])——第10条~第19条指令；
? ? ? ? ? ?
第31页(虚存地址[310，319])——第310条~第319条指令。
3. 计算并输出下列算法在不同内存容量下的命中率(命中率=1-缺页率)。
(1) FIFO——First In First Out Page Replacement Algorithm
(2) LRU——Least Recently Used Page Replacement Algorithm
三、实验要求
1. 根据实验内容编写C程序。
2. 上机调试程序。
3. 记录并分析程序运行结果。
四、程序说明和程序流程图
程序说明为：
1. 通过随机数产生一个指令序列，共320条指令。指令的地址按下述原则生成：
(1) 50%的指令是顺序执行的；
(2) 25%的指令均匀分布在前地址部分；
(3) 25%的指令均匀分布在后地址部分。
实现方法：
(1) 在[0，319]的指令地址中随机选取一起点s；
(2) 执行指令s；
(3) 顺序执行一条指令，即执行地址为s+1的指令；
(4) 在前地址[0，s]中随机选取一条地址为m的指令执行；
(5) 顺序执行一条指令，即执行地址为m+1的指令；
(6) 在后地址[m+2，319]中随机选取一条指令s；
(7) 重复(2)—(6)，直到执行320次指令。
2. 将指令序列变换为页地址流，设：
(1) 页面大小为1K；
(2) 用户内存容量为4—32页面(page frame)；
(3) 用户虚存容量为32K(即32页)。
若10条指令为1页，则320条指令在虚存中的存放方式为：
第0页(虚存地址[0，9])——第0条~第9条指令；
第1页(虚存地址[10，19])——第10条~第19条指令；
? ? ? ? ? ?
第31页(虚存地址[310，319])——第310条~第319条指令。
3. 计算并输出下列算法在不同内存容量下的命中率(命中率=1-缺页率)。
(1) FIFO——First In First Out Page Replacement Algorithm
(2) LRU——Least Recently Used Page Replacement Algorithm
流程图：
五、程序代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
// #include <process.h> /* Windows环境，getpid()原型在process.h中 */
#define TRUE 1
#define FALSE 0
#define INVALID -1
#define NULL 0
#define total_instruction 320 /* 指令条数 */
#define total_vp 32 /* 虚页数 */
#define clear_period 50 /* NRU清0周期 */
typedef struct { /* 页表结构 */
int pn,pfn,counter,time; /* counter(LFU)，time(LRU) */
} pl_type;
pl_type pl[total_vp]; /*页表 */
struct pfc_struct { /* 存储页面表 */
int pn,pfn;
struct pfc_struct *next;
};
typedef struct pfc_struct pfc_type;
pfc_type pfc[total_vp],*freepf_head,*busypf_head,*busypf_tail;
int diseffect,a[total_instruction]; /* 缺页次数，指令流 */
int page[total_instruction],offset[total_instruction];
void initialize(int);
void fifo(int);
void lru(int);
void opt(int); void lfu(int); void nur(int);
void main()
{
int s,i,j;
srand(getpid()*10); /* 进程标识作为随机数种子 */
s=(float)319*rand()/2147483647; /* 0~319 */
// s=(float)319*rand()/32767; /* 0~319 */
for (i=0; i<total_instruction; i+=4)
{ a[i]=s; /* s=0~319 */
a[i+1]=a[i]+1; /* s+1 */
a[i+2]=(float)a[i]*rand()/2147483647; /*m=0~s*/
// a[i+2]=(float)a[i]*rand()/32767; /*m=0~s*/
a[i+3]=a[i+2]+1; /* m+1*/
s=(float)rand()*(317-a[i+2])/2147483147+a[i+2]+2; /* m+2~319 */
// s=(float)rand()*(317-a[i+2])/32767+a[i+2]+2; /* m+2~319 */
}
for (i=0;i<total_instruction;i++)
{
page[i]=a[i]/10;
offset[i]=a[i]%10;
}
for (i=4;i<=32;i++) /* 用户内存工作区4-32个页面 */
{
printf("%2d page frames",i);
fifo(i);
lru(i);
opt(i); lfu(i); nur(i);
printf("\n");
}
}
void initialize(int total_pf)
{
int i;
diseffect=0;
for (i=0;i<total_vp;i++)
{
pl[i].pn=i;pl[i].pfn=INVALID;
pl[i].counter=0;pl[i].time=-1;
}
for (i=1;i<total_pf;i++)
{
pfc[i-1].next=&pfc[i];pfc[i-1].pfn=i-1;
}
pfc[total_pf-1].next=NULL;
pfc[total_pf-1].pfn=total_pf-1;
freepf_head=&pfc[0];
}
void fifo(int total_pf)
{
int i,j;
pfc_type *p;
initialize(total_pf);
busypf_head=busypf_tail=NULL; /* 置忙页面队列为空 */
for (i=0;i<total_instruction;i++)
if (pl[page[i]].pfn==INVALID) /* 页失效 */
{ diseffect++; /* 失效次数加1 */
if (freepf_head==NULL) /* 无空闲页面 */
{ p=busypf_head->next;
pl[busypf_head->pn].pfn=INVALID;
freepf_head=busypf_head;
/* 释放忙队列中的第1个页面(淘汰1页)，即出队 */
freepf_head->next=NULL;
busypf_head=p; /* 插入到空闲页面链表 */
}
p=freepf_head->next;
freepf_head->next=NULL;
freepf_head->pn=page[i];
pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;
if (busypf_tail==NULL) /* 忙队列为空时，入队 */
busypf_head=busypf_tail=freepf_head;
else /* 忙队列为非空时，入队 */
{ busypf_tail->next=freepf_head;
busypf_tail=freepf_head;}
freepf_head=p;
} printf(" FIFO: %6.4f",1-(float)diseffect/320);
}
void lru(int total_pf)
{
int min,minj,i,j,present_time;
initialize(total_pf);present_time=0;
for (i=0;i<total_instruction;i++)
{
if (pl[page[i]].pfn==INVALID)
{
diseffect++;
if (freepf_head==NULL)
{
min=32767;
for (j=0;j<total_vp;j++) /* 查找内存中time最小的页面 */
if (min>pl[j].time&&pl[j].pfn!=INVALID)
{ min=pl[j].time;minj=j;}
freepf_head=&pfc[pl[minj].pfn]; /* 插入空闲链表 */
pl[minj].pfn=INVALID;
pl[minj].time=-1;
freepf_head->next=NULL;
}
pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;
pl[page[i]].time=present_time;
freepf_head=freepf_head->next;
}
else pl[page[i]].time=present_time;
present_time++;
}
printf(" LRU: %6.4f",1-(float)diseffect/320);
}
void opt(int total_pf)
{
int i,j,max,maxpage,d,dist[total_vp];
initialize(total_pf);
for (i=0;i<total_instruction;i++)
{ if (pl[page[i]].pfn==INVALID)
{ diseffect++;
if (freepf_head==NULL)
{ for (j=0;j<total_vp;j++)
if (pl[j].pfn!=INVALID) dist[j]=32767;
else dist[j]=0; /* 页在内存中距离非0，不在内存距离为0 */
d=1; /* 计算内存中页面与当前访问页面的距离 */
for (j=i+1;j<total_instruction;j++)
{ if (pl[page[j]].pfn!=INVALID) dist[page[j]]=d;
d++;
}
max=-1; /* 淘汰距离最远的页 */
for (j=0;j<total_vp;j++)
if (max<dist[j])
{ max=dist[j];maxpage=j;}
freepf_head=&pfc[pl[maxpage].pfn];
freepf_head->next=NULL;
pl[maxpage].pfn=INVALID;
}
pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;
freepf_head=freepf_head->next;
}
}
printf(" OPT: %6.4f",1-(float)diseffect/320);
}
void lfu(int total_pf)
{
int i,j,min,minpage;
initialize(total_pf);
for (i=0;i<total_instruction;i++)
{ if (pl[page[i]].pfn==INVALID)
{ diseffect++;
if (freepf_head==NULL)
{ min=32767;
for (j=0;j<total_vp;j++)
{ if (min>pl[j].counter && pl[j].pfn!=INVALID)
{ min=pl[j].counter;minpage=j;}
pl[j].counter=0;
}
freepf_head=&pfc[pl[minpage].pfn];
pl[minpage].pfn=INVALID;
freepf_head->next=NULL;
}
pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;
freepf_head=freepf_head->next;
}
else
pl[page[i]].counter++;
}
printf(" LFU: %6.4f",1-(float)diseffect/320);
}
void nur(int total_pf)
{ int i,j,dp,cont_flag,old_dp;
initialize(total_pf);
dp=0;
for (i=0;i<total_instruction;i++)
{ if (pl[page[i]].pfn==INVALID)
{ diseffect++;
if (freepf_head==NULL)
{ cont_flag=TRUE;old_dp=dp;
while (cont_flag)
if (pl[dp].counter==0&&pl[dp].pfn!=INVALID)
cont_flag=FALSE;
else
{ dp++; if (dp==total_vp) dp=0;
if (dp==old_dp)
for (j=0;j<total_vp;j++) pl[j].counter=0;
}
freepf_head=&pfc[pl[dp].pfn];
pl[dp].pfn=INVALID;
freepf_head->next=NULL;
}
pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;
freepf_head=freepf_head->next;
}
else pl[page[i]].counter=1;
if (i%clear_period==0)
for (j=0;j<total_vp;j++) pl[j].counter=0;
}
printf(" NUR: %6.4f",1-(float)diseffect/320);
}
六、程序运行结果及分析
实验运行结果截图：
实验结果分析：
先随机产生320条指令，然后转化为页地址流，分别执行FIFO，LRU，OPT，LFU，NUR算法，计算出不同算法的命中率，结果显示如上图。
实验后思考：
把单单从课堂上学到的知识，更加熟练的应用出来，体会到了计算机学科（操作系统与计算机组成）之间的互相联系。
七．指导教师评议
成绩等级
实验4 文件系统
一、实验目的
1. 了解文件系统的功能和内部实现。
2. 熟悉有关文件系统的系统调用。
3. 掌握简单文件系统的设计方法。
二、实验内容
1. 使用有关文件系统的系统调用creat( )、open( )、close( )、read( )和write( )将文件file1.c和file2.c合并为file3.c。
2. 为Linux系统设计一个二级目录结构的文件系统，要求具有下列功能：
(1) 向用户提供以下命令：
login——用户登录
dir——列文件目录
create——创建文件
delete——删除文件
open——打开文件
close——关闭文件
read——读文件
write——写文件
(2) 文件可进行读写保护。
(3) 列文件目录时须列出文件名、文件属性(保护信息)、文件长度和物理地址。
三、实验要求
1. 根据实验内容编写C程序。
2. 上机调试程序。
3. 记录并分析程序运行结果。
四、程序说明和程序流程图
程序说明：
首先先打开文件file1.c，file2.c，再创建文件file3.c，从前面的两个文件中读出相应的内容，写如第三个文件中，之后再关闭三个文件。
流程图：
五、程序代码
#include <stdio.h>
void main(argc, argv)
int argc;
char *argv[];
{
int fd1, fd2, fd3, n;
char buf[512], ch='\n';
fd1=open(argv[1], 0); /* 打开argv[1]对应的文件，返回标识符fd1 */
fd2=open(argv[2], 0); /* 打开argv[2]对应的文件，返回标识符fd2 */
fd3=creat(argv[3], 0664); /* 创建argv[3]对应的文件，返回标识符fd3 */
while ((n=read(fd1, buf, 512))>0) write(fd3, buf, n);
write(fd3, &ch, 1);
while ((n=read(fd2, buf, 512))>0) write(fd3, buf, n);
close(fd1);
close(fd2);
close(fd3);
}
六、程序运行结果及分析
运行结果截图：
图4-1 file1.c文件中的内容
图4-2 file2.c文件中的内容
图4-3 运行后file3.c文件中的内容
实验结果分析：
首先先打开文件file1.c，file2.c，再创建文件file3.c，从前面的两个文件中读出相应的内容，写如第三个文件中，之后再关闭三个文件，最终file3.c文件中出现图4-3内容。
实验后思考：
通过本次实验，清楚地了解了Linu文件系统的部分指令。
七．指导教师评议
成绩等级