操作系統(tǒng)實驗總結(jié)

PAGEPAGE17《操作系統(tǒng)》實驗總結(jié)學(xué)號：學(xué)生姓名：專業(yè)班級：1.1進程創(chuàng)建UNIX中，進程既是一個獨立擁有資源的基本單位，又是一個獨立調(diào)度的基本單位。一個進程實體由若干個區(qū)（段）組成，包括程序區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)、棧區(qū)、共享存儲區(qū)等。每個區(qū)又分為若干頁，每個進程配置有唯一的進程控制塊PCB，用于控制和管理進程。在Linux中主要提供了fork、vfork、clone三個進程創(chuàng)建方法。在linux源碼中這三個調(diào)用的執(zhí)行過程是執(zhí)行fork(),vfork(),clone()時，通過一個系統(tǒng)調(diào)用表映射到sys_fork(),sys_vfork(),sys_clone(),再在這三個函數(shù)中去調(diào)用do_fork()去做具體的創(chuàng)建進程工作。本次實驗我們只使用fork。

fork創(chuàng)建一個進程時，子進程只是完全復(fù)制父進程的資源，復(fù)制出來的子進程有自己的task_struct結(jié)構(gòu)和pid,但卻復(fù)制父進程其它所有的資源。新舊進程使用同一代碼段,復(fù)制數(shù)據(jù)段和堆棧段，這里的復(fù)制采用了注明的copy_on_write技術(shù)，即一旦子進程開始運行，則新舊進程的地址空間已經(jīng)分開，兩者運行獨立。fork（）函數(shù)不需要參數(shù)，返回一個進程ID。返回值有三種情況：（1）對于父進程，fork函數(shù)返回新的子進程的ID。（2）對于子進程，fork函數(shù)返回0。（3）如果出錯，fork函數(shù)返回-1。1.2進程控制進程控制主要有：1.exec()系統(tǒng)調(diào)用exec()系列，也可用于新程序的運行。exec()系列可以將一個可執(zhí)行的二進制文件覆蓋在新進程的用戶級上下文的存儲空間上，以更改新進程的用戶級上下文。exec()系列中的系統(tǒng)調(diào)用都完成相同的功能，它們把一個新程序裝入內(nèi)存，來改變調(diào)用進程的執(zhí)行代碼，從而形成新進程。如果exec()調(diào)用成功，調(diào)用進程將被覆蓋，然后從新程序的入口開始執(zhí)行，這樣就產(chǎn)生了一個新進程，新進程的進程標識符id與調(diào)用進程相同。2.wait()進程一旦調(diào)用了wait，就立即阻塞自己，由wait自動分析是否當前進程的某個子進程已經(jīng)退出，如果讓它找到了這樣一個已經(jīng)變成僵尸的子進程，wait就會收集這個子進程的信息，并把它徹底銷毀后返回；如果沒有找到這樣一個子進程，wait就會一直阻塞在這里，直到有一個出現(xiàn)為止。3.exit()這個系統(tǒng)調(diào)用是用來終止一個進程的。無論在程序中的什么位置，只要執(zhí)行到exit系統(tǒng)調(diào)用，進程就會停止剩下的所有操作，清除包括PCB在內(nèi)的各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并終止本進程的運行。4.getpid()getpid的作用很簡單，就是返回當前進程的進程ID。#include<stdio.h>#include<unistd.h>main(){intpid;pid=fork();/*創(chuàng)建子進程*/switch(pid){case-1:/*創(chuàng)建失敗*/printf("forkfail!\n");exit(1);case0:/*子進程*/execl("/bin/ls","ls","-1","-color",NULL);printf("execfail!\n");exit(1);default:/*父進程*/wait(NULL);/*同步*/printf("lscompleted!\n");exit(0);}}進程同步是指對多個相關(guān)進程在執(zhí)行次序上進行協(xié)調(diào)，以使并發(fā)執(zhí)行的主進程之間有效地共享資源和相互合作，從而使程序的執(zhí)行具有可在現(xiàn)行。首先程序在調(diào)用fork()機那里了一個子進程后，馬上調(diào)用wait()，使父進程在子進程調(diào)用之前一直處于睡眠狀態(tài)，這樣就使子進程先運行，子進程運行exec()裝入命令后，然后調(diào)用wait(0),使子進程和父進程并發(fā)執(zhí)行，實現(xiàn)進程同步。1.3進程互斥#include<stdio.h>#include<unistd.h>main(){intp1,p2,i;while((p1=fork())==-1);/*創(chuàng)建子進程p1*/if(p1==0){lockf(1,1,0);/*加鎖，這里第一個參數(shù)為stdout（標準輸出設(shè)備的描述符）*/for(i=0;i<10;i++)printf("daughter%d\n",i);lockf(1,0,0);/*解鎖*/}else{while((p2=fork())==-1);/*創(chuàng)建子進程p2*/if(p2==0){lockf(1,1,0);/*加鎖*/for(i=0;i<10;i++)printf("son%d\n",i);lockf(1,0,0);/*解鎖*/}else{lockf(1,1,0);/*加鎖*/for(i=0;i<10;i++)printf("parent%d\n",i);lockf(1,0,0);/*解鎖*/}}}上述程序執(zhí)行時，不同進程之間不存在共享臨界資源（其中打印機的互斥性已由操作系統(tǒng)保證）問題，所以加鎖與不加鎖效果相同。1.4總結(jié)進程管理相關(guān)命令：Ps:ps命令是用來顯示系統(tǒng)瞬間的進程信息，它可以顯示出在用戶輸入ps命令時系統(tǒng)的進程及進程的相關(guān)信息。Kill:kill命令不但能殺死進程，同時也會殺死該進程的所有子進程。Nice:指定程序的運行優(yōu)先級。Renice：改變一個正在運行的進程的優(yōu)先級。2．進程間通信2.1信號機制每個信號都對應(yīng)一個正整數(shù)常量(稱為signalnumber,即信號編號。定義在系統(tǒng)頭文件<signal.h>中)，代表同一用戶的諸進程之間傳送事先約定的信息的類型，用于通知某進程發(fā)生了某異常事件。每個進程在運行時，都要通過信號機制來檢查是否有信號到達。若有，便中斷正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)向與該信號相對應(yīng)的處理程序，以完成對該事件的處理；處理結(jié)束后再返回到原來的斷點繼續(xù)執(zhí)行。實質(zhì)上，信號機制是對中斷機制的一種模擬，故在早期的UNIX版本中又把它稱為軟中斷。#include<stdio.h>#include<signal.h>#include<unistd.h>voidwaiting(),stop();intwait_mark;main(){intp1,p2,stdout;while((p1=fork())==-1);/*創(chuàng)建子進程p1*/if(p1>0){while((p2=fork())==-1);/*創(chuàng)建子進程p2*/if(p2>0){wait_mark=1;signal(SIGINT,stop);/*接收到^c信號，轉(zhuǎn)stop*/waiting();kill(p1,16);/*向p1發(fā)軟中斷信號16*/kill(p2,17);/*向p2發(fā)軟中斷信號17*/wait(0);/*同步*/wait(0);printf("Parentprocessiskilled!\n");exit(0);}else{wait_mark=1;signal(17,stop);/*接收到軟中斷信號17，轉(zhuǎn)stop*/waiting();lockf(stdout,1,0);printf("Childprocess2iskilledbyparent!\n");lockf(stdout,0,0);exit(0);}}else{wait_mark=1;signal(16,stop);/*接收到軟中斷信號16，轉(zhuǎn)stop*/waiting();lockf(stdout,1,0);printf("Childprocess1iskilledbyparent!\n");lockf(stdout,0,0);exit(0);}

}voidwaiting(){while(wait_mark!=0);}voidstop(){wait_mark=0;}Wait(0)作用就是把調(diào)用它的進程掛起，直到有別的進程終止它再開始執(zhí)行。每個進程退出時都用了語句exit(0),一方面要結(jié)束進程,另外向父進程返回結(jié)束標志0

。2.2進程管道通信常用的進程間通信方式有這幾種A.傳統(tǒng)的進程間通信方式無名管道(pipe)、有名管道(fifo)和信號(signal)B.SystemvIPC對象共享內(nèi)存(sharememory)、消息隊列(messagequeue)和信號燈(semaphore)C.BSD套接字(socket)本次實驗使用無名管道2.3消息發(fā)送與接收消息（message）是一個格式化的可變長的信息單元。消息機制允許由一個進程給其它任意的進程發(fā)送一個消息。當一個進程收到多個消息時，可將它們排成一個消息隊列。消息使用二種重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：一是消息首部，其中記錄了一些與消息有關(guān)的信息，如消息數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；二個消息隊列頭表，其每一表項是作為一個消息隊列的消息頭，記錄了消息隊列的有關(guān)信息。1、client.c#include<sys/types.h>#include<sys/msg.h>#include<sys/ipc.h>#defineMSGKEY75structmsgform{longmtype;charmtext[1000];}msg;intmsgqid;voidclient(){inti;msgqid=msgget(MSGKEY,0777);/*打開75#消息隊列*/for(i=10;i>=1;i--){msg.mtype=i;printf(“(client)sent\n”);msgsnd(msgqid,&msg,1024,0);/*發(fā)送消息*/}exit(0);}main(){client();}2、server.c#include<sys/types.h>#include<sys/msg.h>#include<sys/ipc.h>#defineMSGKEY75structmsgform{longmtype;charmtext[1000];}msg;intmsgqid;voidserver(){msgqid=msgget(MSGKEY,0777|IPC_CREAT);/*創(chuàng)建75#消息隊列*/do{msgrcv(msgqid,&msg,1030,0,0);/*接收消息*/printf(“(server)received\n”);}while(msg.mtype!=1);msgctl(msgqid,IPC_RMID,0);/*刪除消息隊列，歸還資源*/exit(0);}main(){server();}message的傳送和控制并不保證完全同步，當一個程序不在激活狀態(tài)的時候，它完全可能繼續(xù)睡眠，造成了上面的現(xiàn)象，在多次sendmessage后才recievemessage。這一點有助于理解消息傳送的實現(xiàn)機理。2.4共享存儲區(qū)通信共享存儲區(qū)（ShareMemory）是UNIX系統(tǒng)中通信速度最高的一種通信機制。該機制可使若干進程共享主存中的某一個區(qū)域，且使該區(qū)域出現(xiàn)（映射）在多個進程的虛地址空間中。另一方面，一個進程的虛地址空間中又可連接多個共享存儲區(qū)，每個共享存儲區(qū)都有自己的名字。當進程間欲利用共享存儲區(qū)進行通信時，必須先在主存中建立一共享存儲區(qū)，然后將它附接到自己的虛地址空間上。此后，進程對該區(qū)的訪問操作，與對其虛地址空間的其它部分的操作完全相同。進程之間便可通過對共享存儲區(qū)中數(shù)據(jù)的讀、寫來進行直接通信。圖示列出二個進程通過共享一個共享存儲區(qū)來進行通信的例子。其中，進程A將建立的共享存儲區(qū)附接到自己的AA’區(qū)域，進程B將它附接到自己的BB’區(qū)域。#include<sys/types.h>#include<sys/shm.h>#include<sys/ipc.h>#defineSHMKEY75intshmid,i;int*addr;voidclient(){inti;shmid=shmget(SHMKEY,1024,0777);/*打開共享存儲區(qū)*/addr=shmat(shmid,0,0);/*獲得共享存儲區(qū)首地址*/for(i=9;i>=0;i--){while(*addr!=-1);printf("(client)sent\n");*addr=i;}exit(0);}voidserver(){shmid=shmget(SHMKEY,1024,0777|IPC_CREAT);/*創(chuàng)建共享存儲區(qū)*/addr=shmat(shmid,0,0);/*獲取首地址*/do{*addr=-1;while(*addr==-1);printf("(server)received\n");}while(*addr);shmctl(shmid,IPC_RMID,0);/*撤消共享存儲區(qū)，歸還資源*/exit(0);}main(){while((i=fork())==-1);if(!i)server();system(“ipcs-m”);while((i=fork())==-1);if(!i)client();wait(0);wait(0);}由于兩種機制實現(xiàn)的機理和用處都不一樣，難以直接進行時間上的比較。如果比較其性能，應(yīng)更加全面的分析。（1）消息隊列的建立比共享區(qū)的設(shè)立消耗的資源少。前者只是一個軟件上設(shè)定的問題，后者需要對硬件的操作，實現(xiàn)內(nèi)存的映像，當然控制起來比前者復(fù)雜。如果每次都重新進行隊列或共享的建立，共享區(qū)的設(shè)立沒有什么優(yōu)勢。（2）當消息隊列和共享區(qū)建立好后，共享區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸，受到了系統(tǒng)硬件的支持，不耗費多余的資源；而消息傳遞，由軟件進行控制和實現(xiàn)，需要消耗一定的cpu的資源。從這個意義上講，共享區(qū)更適合頻繁和大量的數(shù)據(jù)傳輸。（3）消息的傳遞，自身就帶有同步的控制。當?shù)鹊较⒌臅r候，進程進入睡眠狀態(tài)，不再消耗cpu資源。而共享隊列如果不借助其他機制進行同步，接收數(shù)據(jù)的一方必須進行不斷的查詢，白白浪費了大量的cpu資源。可見，消息方式的使用更加靈活。3存儲管理3.1常用頁面置換算法模擬設(shè)計一個虛擬存儲區(qū)和內(nèi)存工作區(qū)，并使用下述算法計算訪問命中率。1、最佳淘汰算法（OPT）2、先進先出的算法（FIFO）3、最近最久未使用算法（LRU）4、最不經(jīng)常使用算法（LFU）5、最近未使用算法（NUR）命中率＝１－頁面失效次數(shù)／頁地址流長度#defineTRUE1#defineFALSE0#defineINVALID-1#defineNULL0#definetotal_instruction320/*指令流長*/#definetotal_vp32/*虛頁長*/#defineclear_period50/*清0周期*/typedefstruct/*頁面結(jié)構(gòu)*/{ intpn,pfn,counter,time;}pl_type;pl_typepl[total_vp];/*頁面結(jié)構(gòu)數(shù)組*/structpfc_struct{/*頁面控制結(jié)構(gòu)*/ intpn,pfn; structpfc_struct*next;};typedefstructpfc_structpfc_type;pfc_typepfc[total_vp],*freepf_head,*busypf_head,*busypf_tail;intdiseffect,a[total_instruction];intpage[total_instruction],offset[total_instruction];intinitialize(int);intFIFO(int);intLRU(int);intLFU(int);intNUR(int);intOPT(int);intmain(){ints,i,j;srand(10*getpid());/*由于每次運行時進程號不同，故可用來作為初始化隨機數(shù)隊列的“種子”*/s=(float)319*rand()/32767/32767/2+1;//for(i=0;i<total_instruction;i+=4)/*產(chǎn)生指令隊列*/{if(s<0||s>319){printf("Wheni==%d,Error,s==%d\n",i,s);exit(0);}a[i]=s;/*任選一指令訪問點m*/a[i+1]=a[i]+1;/*順序執(zhí)行一條指令*/a[i+2]=(float)a[i]*rand()/32767/32767/2;/*執(zhí)行前地址指令m'*/a[i+3]=a[i+2]+1;/*順序執(zhí)行一條指令*/s=(float)(318-a[i+2])*rand()/32767/32767/2+a[i+2]+2;if((a[i+2]>318)||(s>319))printf("a[%d+2],anumberwhichis:%dands==%d\n",i,a[i+2],s);}for(i=0;i<total_instruction;i++)/*將指令序列變換成頁地址流*/{page[i]=a[i]/10;offset[i]=a[i]%10;}for(i=4;i<=32;i++)/*用戶內(nèi)存工作區(qū)從4個頁面到32個頁面*/{printf("%2dpageframes\n",i);FIFO(i);LRU(i);LFU(i);NUR(i);OPT(i);}return0;}intinitialize(total_pf)/*初始化相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)*/inttotal_pf;/*用戶進程的內(nèi)存頁面數(shù)*/{inti;diseffect=0;for(i=0;i<total_vp;i++){pl[i].pn=i;pl[i].pfn=INVALID;/*置頁面控制結(jié)構(gòu)中的頁號，頁面為空*/pl[i].counter=0;pl[i].time=-1;/*頁面控制結(jié)構(gòu)中的訪問次數(shù)為0，時間為-1*/}for(i=0;i<total_pf-1;i++){pfc[i].next=&pfc[i+1];pfc[i].pfn=i;}/*建立pfc[i-1]和pfc[i]之間的鏈接*/pfc[total_pf-1].next=NULL;pfc[total_pf-1].pfn=total_pf-1;freepf_head=&pfc[0];/*空頁面隊列的頭指針為pfc[0]*/return0;}intFIFO(total_pf)/*先進先出算法*/inttotal_pf;/*用戶進程的內(nèi)存頁面數(shù)*/{inti,j;pfc_type*p;initialize(total_pf);/*初始化相關(guān)頁面控制用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)*/busypf_head=busypf_tail=NULL;/*忙頁面隊列頭，隊列尾鏈接*/for(i=0;i<total_instruction;i++){if(pl[page[i]].pfn==INVALID)/*頁面失效*/{diseffect+=1;/*失效次數(shù)*/if(freepf_head==NULL)/*無空閑頁面*/{p=busypf_head->next;pl[busypf_head->pn].pfn=INVALID;freepf_head=busypf_head;/*釋放忙頁面隊列的第一個頁面*/freepf_head->next=NULL;busypf_head=p;}p=freepf_head->next;/*按FIFO方式調(diào)新頁面入內(nèi)存頁面*/freepf_head->next=NULL;freepf_head->pn=page[i];pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn; if(busypf_tail==NULL)busypf_head=busypf_tail=freepf_head;else{busypf_tail->next=freepf_head;/*free頁面減少一個*/busypf_tail=freepf_head;}freepf_head=p;}}printf("FIFO:%6.4f\n",1-(float)diseffect/320);return0;}intLRU(total_pf)/*最近最久未使用算法*/inttotal_pf;{intmin,minj,i,j,present_time;initialize(total_pf);present_time=0;for(i=0;i<total_instruction;i++){if(pl[page[i]].pfn==INVALID)/*頁面失效*/{diseffect++;if(freepf_head==NULL)/*無空閑頁面*/{min=32767;for(j=0;j<total_vp;j++)/*找出time的最小值*/if(min>pl[j].time&&pl[j].pfn!=INVALID){ min=pl[j].time; minj=j; }freepf_head=&pfc[pl[minj].pfn];//騰出一個單元pl[minj].pfn=INVALID;pl[minj].time=-1;freepf_head->next=NULL;}pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;//有空閑頁面,改為有效pl[page[i]].time=present_time; freepf_head=freepf_head->next;//減少一個free頁面}elsepl[page[i]].time=present_time;//命中則增加該單元的訪問次數(shù)present_time++;}printf("LRU:%6.4f\n",1-(float)diseffect/320);return0;}intNUR(total_pf)/*最近未使用算法*/inttotal_pf;{inti,j,dp,cont_flag,old_dp;pfc_type*t;initialize(total_pf);dp=0;for(i=0;i<total_instruction;i++){if(pl[page[i]].pfn==INVALID)/*頁面失效*/{diseffect++;if(freepf_head==NULL)/*無空閑頁面*/{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;}elsepl[page[i]].counter=1;if(i%clear_period==0)for(j=0;j<total_vp;j++)pl[j].counter=0;}printf("NUR:%6.4f\n",1-(float)diseffect/320);return0;}intOPT(total_pf)/*最佳置換算法*/inttotal_pf;{inti,j,max,maxpage,d,dist[total_vp];pfc_type*t;initialize(total_pf);for(i=0;i<total_instruction;i++){//printf("InOPTfor1,i=%d\n",i);//i=86;i=176;206;250;220,221;192,193,194;258;274,275,276,277,278;if(pl[page[i]].pfn==INVALID)/*頁面失效*/{diseffect++;if(freepf_head==NULL)/*無空閑頁面*/{for(j=0;j<total_vp;j++)if(pl[j].pfn!=INVALID)dist[j]=32767;/*最大"距離"*/ elsedist[j]=0;d=1;for(j=i+1;j<total_instruction;j++){ if(pl[page[j]].pfn!=INVALID)dist[page[j]]=d;d++;