操作系统实验指导书3rd.docVIP

版本号：3.0 撰写人：孙自广合作者：陈波（博士） 欧阳浩日期：2011-09-08操作系统实验指导书（第3版） 广西工学院计算机工程系 2011年09月前言 操作系统是计算机科学与技术专业（软件工程方向）的一门非常重要的专业课程，操作系统是应用软件与底层硬件的桥梁。通俗的说“只有搞懂了操作系统，才能真正理解计算机”。学好操作系统课程可以提升学生应用计算机解决问题的能力，并获得开发大型复杂软件的经验。操作系统至关重要，但学好它并不容易。虽然Windows界面友好，方便使用，但是底层运行机制被有效的隐藏，在很多人眼里计算机还是一个黑匣子。在选择教学用操作系统上颇费苦心，目前可用于教学的操作系统有Minix, Nochos, Geekos, JOS，FreeBSD等，而Linux不仅是开源的，而且资料丰富并拥有大量的应用软件，所有我们选择了Linux作为实验的平台。本实验指导书参阅了很多网上的优秀资源，在此对提供这些资源的作者，表示感谢。 目 录前言1实验1 Linux的安装与使用3实验2 Linux的键盘命令4实验3-1 Linux进程的创建与父子进程同步8实验3-2 Linux子进程映像的重新加载10实验4-1 Linux软中断通信11实验4-2 Linux管道通信13实验4-3 Linux信息缓冲通信14实验4-4 Linux共享存储通信16实验5 Linux 信号量与 P、V操作函数的定义18实验6 在Linux中增加一个新的系统调用函数20实验7 动态申请内存21实验8 Linux字符设备驱动22实验9 Linux 文件系统调用23实验1 Linux的安装与使用1. 实验目的在做本课程系列实验之前需要先安装Linux系统。如果你的计算机上已经安装了Linux，则本实验可以不做。熟悉Linux提供的图形用户界面。2. 实验预备知识Linux系统的安装方法和图形界面基本操作请参考相关资料。3. 实验内容（1）在虚拟机软件VMWare上安装Linux操作系统，版本是Red Hat Linux 9。（2）进入Linux的资源管理器，以树状结构查看系统目录，并在/home目录下创建子目录，目录名任意。（3）实现文本方式与图形方式的切换。（4）打开文字处理器，输入一段文字后存盘，与Word进行比较。（5）插入软盘，单击桌面上的软盘上的软盘标志，观察软盘驱动器的动作，观察窗口上显示的问价名，核对是否是软盘上的文件。（6）进入Linux的控制面板，参考Windows进行设置。比如设置文字为中文、设置显示器等。（7）进入/usr/src/linux-2.4子目录下查看有哪些文件夹，在进入其中的kernel子目录中看看，再进入其中的include/linux子目录看看有哪些头文件。该文件夹是本课程后续章节所看到的数据结构集中存放的地方。（8）选择菜单“红帽子”“系统工具”“系统监视器”，进入Linux的系统监视器看看，与Windows的任务管理器进行比较。4. 实验要求与思考（1）按照系统提示进行安装，同时学习VMWare的使用方法。（2）以Windows操作系统窗口的操作方式使用Linux图形界面，比较它们的异同。（3）比较Linux的文本方式和窗口方式，哪种更受用户欢迎？（4）可以打开多个虚拟文本窗口吗？比较它与实验2-1的文本有什么相同和不同之处。实验2 Linux的键盘命令1. 实验目的（1）通过本实验使学生了解Linux所提供的用户界面中的键盘命令操作界面；（2）熟练掌握常用的键盘命令；（3）了解Linux的实模式文本操作界面。2. 实验预备知识请参考相关资料学习Linux的命令。3. 实验内容进入Linux的文本方式，完成以下键盘命令的操作。（1） 目录操作 在/home下建立自己的子目录，子目录名自己取，然后在自己的子目录下再创建子 目录，可以多建几个。 进入/home，查看创建的子目录。 删除一部分自己的子目录下的子目录。 再回自己的子目录，显示当前目录清单。 显示当前目录所处的路径。 在自己的子目录下再创建子目录sub和sub1。 进入sub子目录。（2） 文件操作 复制一部分文件到sub子目录（当前目录）cp /usr/src/linux-2.4/kernel/*.c .注意：命令最后有一个小数点，表示目标地址为当前目录，后面的命令中也要注意。 用长格式显示目录清单，看看文件的权限。 查看sub目录中是否有sys.c文件（只显示该文件名）。 将sys.c改名为mysys.c 查看sub目录中是否有mysys.c文件，是否还有sys.c文件。 建立mysys.c的一个文件链接文件名为mydoc.c。 查看上述两个文件是否有相同的i节点号。 使用格式： ls -i 文件名 /查看该文件的节点号 按页显示文件mysys.c的内容（分别使用more 和 less）。 将mysys.c按高比例进行压缩，压缩前后的文件大小进行观察和比较。 将sub子目录下的所有文件进行打包，并压缩生成doc.tar文件。 查看该文件，注意文件名的颜色。 进入sub1子目录。 在sub1子目录下将sub中的doc.tar文件解压到当前目录。 查看sub1子目录下的文件，查看是否已经解压包解压。 删除sub1下的所有文件（一次性删除，不用选择提示）。 返回父目录。 查找文件mysys.c。 进入sub子目录。 修改文件mysys.c的权限为如下。文件拥有者：可读，可写，可执行。所属同组用户：可读，可执行。不同组用户：可读。 删除sub子目录下的所有文件，mysys.c除外，并查看是否完成。21 删除mysys.c。22 返回用户目录。23 删除sub和sub1子目录。 历史命令的调用用光标移动键和显示已经用过的命令，体会其方便之处。 日期与实践 显示系统当前时间和日期。 显示2002年12月的日历。 显示2002年全年的日历。 输入输出重定向 键盘输入文件file1的内容（用d存盘退出）。 键盘输入文件file2的内容。 分别显示file1和file2。 将文件file1，file2合并到file中。 显示file。 将file追加到file1的末尾。 显示file1.(6) 管理操作用一条命令合并file, file1,file2,并显示（使用管道）。(7) 安装与卸载U盘（以下操作注意观察软驱是否运转）1 将U盘插入驱动器，并挂接到安装点上。2 将文件file1复制到U盘上。3 显示U盘上的文件清单（文本文件与DOS兼容）。4 显示file1的内容（该内容可以在Windows下显示出来）。5 将U盘卸载。（8）用户管理1 用root登录。2 添加用户名为a1的用户。3 为该用户设置密码：1234564 重新启动系统。5 用a1登录并输入密码。6 注意用户状态下的提示符与管理员状态下的不同。7 重新启动系统，用root登录.8 显示/etc/passwd/和/etc/shadow文件的内容，查看该用户信息。9 删除用户a1。10 重新启动系统再用a1登录，看系统是否允许；若不允许，则用root登录。11 在/home下建子目录abc。12 再添加用户b1，并指定其主目录为/home/abc。13 显示/etc/passwd/和/etc/shadow文件的内容，查看该用户信息。14 使用用户名b1进入该用户的主目录，查看是否进入/home/abc。15 删除用户b1。4.实验注意事项(1) 在用root登陆时，注意是以特权用户的身份登录的，具有最大的实用权利，因此也极易破坏系统。(2) 在修改密码时要注意，如果不给出用户名，则系统默认用户就是特权用户，被修改的密码是特权用户的密码。实验3-1 Linux进程的创建与父子进程同步1. 实验目的（1）熟悉在C语言源程序中使用Linux所提供的系统调用界面的方法；（2）掌握Linux中进程的创建方法以及调度执行情况，理解进程与程序的区别；（3）使用系统调用wait()和exit(),实现父子进程同步；（4）了解Linux提供的C编译器gcc的调用；（5）进一步掌握vi的使用。2. 实验预备知识（1）vi的使用请参考相关资料。（2）C编译器gcc的使用请参考相关资料。3. 实验内容 （1）父进程创建子进程，返回后父子进程都分别循环输出字符串“I am parent.”或“I am child.”5次，每输出一次后使用sleep(1)延时1秒，然后再进入下一次循环，如下所示。将该源程序链接后执行，观察并分析运行结果。 父进程返回后执行： for(i=0;i5;i+)printf(“I am parent.n”);sleep(1); 子进程返回后执行： for(i=0;i5;i+)printf(“I am child.n”);sleep(1); （2）进程家族树 在源程序中连续使用4个fork()，而不是用if()进行返回值的判段，在4个fork()语言后面输出字符“A”。观察并分析该程序编译连接执行后的输出结果。（3）父子同步进程 修改第（1）题的程序，使用exit()和wait()实现父子进程同步，其同步方式为父进程等待子进程的同步，即：子进程先循环输出5次，然后父进程再循环输出5次.观察是否有不同的结果出现。4. 实验要求与思考（1）观察运行结果，分析结果产生的原因。（2）当程序中创建了子进程后，该程序的执行有什么特点？为什么？（3）如果连续创建多个子进程而不使用条件进行各自空间的分隔，会出现什么情况？请画出第（2）题实验的进程家族树。（4）如何实现父子进程之间的父进程等待子进程的同步？实验3-2 Linux子进程映像的重新加载1. 实验目的（1）掌握在Linux中如何加载属于子进程自己的程序，以取代在子进程创建时由系统复制的父进程的程序；（2）掌握父进程通过创建子进程来完成某项任务的方法；（3）熟悉系统调用execv()和execl()的使用。2. 实验预备知识有关Linux子进程映像的重新加载的知识点请相关资料。3. 实验内容（1）由父进程创建一个子进程，子进程的功能是输出26个英文字母，使用execl()加载子进程的程序。（2）创建一个子进程，并使用execv()给它加载程序，其功能是调用键盘命令ps a.已知键盘命令ps的路径与文件名为：/bin/ps。4. 实验思考（1）加载子进程映像的目的何在？（2）如何加载子进程映像？实验4-1 Linux软中断通信1. 实验目的（1） 掌握软中断通信信号的使用；（2） 熟悉通过软中断信号实现子进程等待父进程的同步；（3） 了解使用软中断通信实现异步事件的方法；（4） 熟悉线程的使用。2. 实验预备知识（1） 与本实验软中断通信有关的知识点请参考相关资料。（2） 与本实验线程有关的知识点请参考相关资料。3. 实验内容（1） 编写一个程序循环显示“How are you?”，当键盘输入Ctrl+C的组合键后中断循环显示，执行软中断程序，软中断程序的功能是修改循环变量的值终止循环，然后输出“Byebye”。（2） 使用软中断实现父子进程同步，同步方式为：父进程先输出字符“A”，然后子进程再输出“B”。（3） 编写一个程序，完成以下功能。 父进程创建两个子进程P1和P2； 父进程捕捉从键盘上通过Ctrl+C键发来的中断信号； 父进程获得中断信号后使用系统调用kill()向两个子进程分别发终止执行信 号SIGUSR1和SIGUSR2； 子进程捕捉到各自的信号后分别输出：Child1 is killed by parent!和Child2 is killed by parent!然后终止执行（无先后次序的要求）： 父进程等待两个子进程终止后输出以下信息，然后终止执行： Parent process is killed!(4) 编写一个程序，完成以下功能。 由进程创建一个线程，并定义软中断信号Ctrl+C终止进程执行。运行后，父子两个线程分别循环输出“Thiss is main pthread.n”和“This is the second pthread.n”。父进程接收软中断信号出循环，然后显示“Byebye!n”后终止执行。说明：由于线程没有自己的地址空间，所以父进程执行终止后其子线程也会随之终止，因此该程序中只需要父线程接收软中断信号后终止即可。4. 实验思考（1） 对实验内容（1）进行改进，先输出10次“How are you?”，在此过程中使用Ctrl+C不能中断循环显示，10次以后使用Ctrl+C可以中断循环。（2） 本次实验内容（2）实现子进程等待父进程，而实验3-2中实现了父进程等待子进程，它们分别采用了什么方法？相互之间可不可以代替？（3） 实验内容（3）中一共存在几个进程？它们执行的顺序是怎么样的？如果现在要求实现进程间的同步关系child1、child2、parent，需要怎样改进？（4） 线程的创建与执行与进程有何区别？当程序后中使用了创建线程的调用后，其编译参数与进程有何不同？实验4-2 Linux管道通信1. 实验目的（1）掌握父子进程使用管道进行通信的方法。（2）了解管道通信的特点和使用上的限制。2. 实验预备知识了解无名管道工作原理和无名管道编程实现。3. 实验内容编写一个程序，实现以下功能。（1）父进程使用系统调用pipe()建立一个无名管道；（2）创建两个子进程，分别向管道各分布下面中一条信息后结束； Child 1 is sending a message to parent! Child 2 is sending a message to parent!（3） 父进程从管道中分别接收两个子进程发来的消息并显示该消息，然后父进程结束。（4） 两个子进程的发送没有先后要求。4、实验思考（1）管道通信与软件中断通信在信息量的大小上有何区别？（2）共享同一个管道进行通信的读写进程之间必须满足什么关系？为什么？实验4-3 Linux信息缓冲通信1. 实验目的（1） 掌握Linux中进程之间使用消息缓冲实现进程通信的方法；（2） 了解消息缓冲通信的特点；（3） 了解Linux提供的IPC机制。2. 实验预备知识查找资料了解消息缓冲通信的实现方法。3. 实验内容（1）父进程创建一个消息队列和一个子进程，由子进程发送消息，父进程等待子进程结束后接收子进程发来的消息，并显示消息内容。以“end”作为结束消息。（2）分别编写发送进程和接收进程，由发送进程发送消息，接收进程接收消息。采用先执行发送进程后执行接收进程的方式同步。以“end”作为结束消息。（3）模拟C/S通信，要求如下。 模拟客户（Client端）程序client，其功能如下。a) 显示下列服务功能菜单：Enter your choice:1. Save money2. Take monerb) 接收用户键入的功能号进行选择；c) 将用户键入的功能号作为一条信息发送消息队列，然后结束。 模拟服务器端（Server端）程序server，其功能如下。a) 从消息队列接搜Client端发来一条消息：b) 根据消息作如下处理。若消息为“1”，则创建子进程1，由子进程1加载服务模块save，该模块的作用为显示以下信息：Your money was saved!若消息为“2”，则创建子进程2，由子进程2加载服务模块take，该模块的作用为显示以下消息：Please take your money!c) 等待子进程终止后，Server进程删除消息队列，然后结束。注意： save和take要事先编译连接好，放在合适的子目录下； 采用先运行客户端进程，然后运行服务器端进程的方式实现同步； 子进程的加载方法请参考实验3-2。4. 实验思考(1) 消息缓冲通信有哪些特点？(2) 在使用消息缓冲通信进行通信时，发送和接收之间的同步机制由谁提供？(3) 消息缓冲通信与管道通信有哪些不同之处？当两个独立的进程之间需要传递大量信息时，应该使用其中哪一种通信方式？实验4-4 Linux共享存储通信1. 实验目的(1) 掌握Linux提供的共享存储区通信方式的使用方法。(2) 了解共享存储区通信方法的特点。(3) 了解实现进程间通信的不同方法之间的区别、特点和适用情况。2. 实验预备知识(1) 了解共享存储区通信方式的适用方法。(2) 了解子进程等待父进程的同步的实现方法。3.实验内容（1）编写发送信息程序shmsnd.c和接受信息程序shmrcv.c，其功能分别为： /shmsnd.c/ 创建一个共享存储区间； 将它附接到自己的地址空间； 循环写入若干信息，以“end”结束（提示：信息以追加方式存放到共享区中，可以用strcat()函数实现追加）； 断开共享区； 结束。 /shmrcv.c/ 创建/获取同一个共享存储区； 将它附接到自己的地址空间； 输入其中已经由发送地方输入的内容； 断开共享区 删除共享区 结束。 采用先执行发送进程、后执行接受进程来实现同步。 (2) 父进程创建一个共享存储区，然后创建子进程；采用终端实现父进程发送信息和子进程接受信息的同步；信息以“end”作为结束标志。4. 实验思考(1) 共享存储区间通信有哪些优点？使用上有哪些限制？适用于哪种场合？(2) 总结共享存储区通信与消息缓冲通信、管理通信方式各有哪些特点？实验5 Linux 信号量与 P、V操作函数的定义1. 实验目的（1） 掌握Linux信号量的使用方法和P、V操作函数的定义；（2） 掌握使用P、V操作实现进程之间的同步和互斥的方法；（3） 加深对进程同步互斥概念的理解。2. 实验预备知识（1） Linux信号量的使用方法请参考附件材料。（2） 共享存储通信请参考实验4-4.（3） 用P、V操作实现进程互斥与同步请参考附件材料。3. 实验内容（1） 使用信号量及P、V操作实现进程互斥。阅读附件材料中例4-9，将程序编译连接后运行，观察运行结果。（2） 使用信号量及P、V操作实现子进程之间通过共享内存通信的读写同步，如实验图5-1所示。要求如下：生产者进程 消费者进程A sum父进程 消费者进程B 实验图 5-1 请参考附件材料中的例4-11，设计一个父进程，创建三个子进程。3个子进程中一个是生产者进程，两个是消费者进程。父子进程都使用父进程创建的共享存储区进行通信。 由生产者进程发送数值110到由5个缓冲区组成的共享内存中，两个消费者进程轮流接受并输入这10个数据，同时将两个消费者进程对读出的所有数据进行累加求和。 3个子进程结束后，由父进程输出两个消费者进程所读出数据的累加和。它们的同步关系使用P、V操作系统。提示：在例4-11使用2个共享内存的基础上再使用一个共享内存来存放读出信息的累加和，由两个消费者进程和父进程共享使用。4. 实验思考(1) 针对每个信号量需要进行哪些定义？(2) 总结使用信号量系统调用的步骤与方法。(3) 进程之间如何使用信号量及其P、V操作实现互斥？(4) 进程之间如何使用信号量及其P、V操作实现同步？(5) 总结数值型共享内存作为变量或作为数组的使用方法。实验6 在Linux中增加一个新的系统调用函数1. 实验目的(1) 了解在Linux内核中增加一个系统调用函数的方法；(2) 了解内核被修改后必须重新编辑连接的道理，了解编译连接的过程。2. 实验预备知识(1) 系统调用的实现原理请参考相关材料；(2) 在Linux内核中增加一个系统调用的方法和步骤请参考附件材料。3. 实验内容在Linux内核中增加一个系统调用函数，其功能是输出一个字符串，并返回数值5。测试函数中调用该函数，并输出其返回值，查看是否将字符串和返回值输出。4. 实验思考(1) 作为操作系统，为用户提供系统调用用户界面需要做那些工作？(2) 用户如何将新的系统调用函数增加到Linux内核中？(3) 在实现的过程中，遇到了那些困难？是如何解决的？实验7 动态申请内存1. 实验目的（1） 掌握Linux中动态申请内存的方法；（2） 了解操作系统对于高级语言程序设计所提供的环境变量支撑。2. 实验预备知识 Linux内存分配策略和系统调用请参考附件材料。3. 实验内容（1） 使用键盘命令以字节为单位显示系统中的内存使用情况，特别是当前系统中的空闲内