2009操作系统实验指导书Vmware版 - 图文

操作系统实验指导书

青岛理工大学计算机工程学院

二零一一年九月

一、课程编号：071235

二、适用专业：计算机科学与技术专业、网络工程专业、软件工程专业 三、实验个数与学时：4个实验，8学时 四、《操作系统实验》的目的

《操作系统》是一门重要的专业基础课，是涉及较多硬件知识的计算机系统软件课程。在计算机软硬件课程的设置上，它起着承上启下的作用。操作系统对计算机系统资源实施管理，是所有其他软件与计算机硬件的唯一接口，所有用户在使用计算机时都要得到操作系统提供的服务。

操作系统实验的主要任务是让学生掌握常用操作系统的安装方法，了解操作系统进程管理的基本内容，通过实验演示了解操作系统是如何进行进程管理的，为后期操作系统的课程设计奠定基础。 五、实验平台

在虚拟机Vmware上的Ubuntu 11.10

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实验1 安装Linux操作系统

一、实验目的

在虚拟机Vmware上安装Unbuntu 11.10操作系统，后续实验都将在此环境上进行。 通过实验，要求：

1、掌握在虚拟机上安装操作系统的方法； 2、学会安装Linux系统； 3、学会启动Linux系统； 4、学会在宿主机Windows XP操作系统下，与虚拟机上安装的Ubuntu共享文件的方法。

二、实验内容

1、把ubuntu安装至虚拟机上。

? 加载安装ubuntu操作系统的ISO IMG文件 ? 启动ubuntu虚拟机

? 按提示安装Ubuntu操作系统

2、通过Vmware Tools实现Windows与ubuntu之间的文件共享 1） 先在Windows下建个共享文件夹，暂时取名叫share；

2） 然后进入VMware Workstation软件主界面的菜单项VM进行设置：

①VM->setting->options->shared folders；

②单击Add按钮进入Add Shared Folder Wizard向导进行共享文件夹的设定； ③在Name文本框内输入你为共享文件夹起的名称，在Host folder文本框中选定你在Windows下创建的共享文件夹share；

④然后设定指定共享文件夹的属性，选择Enable this share选项。 ⑤选择finish，这样就完成了虚拟机中共享文件夹的设定。 3） 进入虚拟机的下拉菜单VM->Install VMware Tools...，出现一个对话框，单击“install”

按钮；（前提条件是已经运行了虚拟机下的一个客户操作系统，即虚拟机上安装的Ubuntu操作系统已经启动了，否则虚拟机的VM->Install VMware Tools...菜单将是不可选的）。

4) 安装完毕后会在Linux的桌面上出现一个名为“VMware Tools”的光盘图标；

5） 然后进入mnt/cdrom，把里面那个叫“VMwareTools-5.5.0-18463.tar.gz”的文件拷贝到

opt下；

6） 然后进入shell，用cd命令进入到opt文件夹下；

7） 在命令行输入：tar zxvf VMwareTools-5.5.0-18463.tar.gz 回车（进行解压）； 8） 再用cd命令进入到解压的文件里，在命令行输入：./vmware-install.pl 接着

一路回车，就ok了。

9） 等安装完毕后，可以查看mnt文件夹里面会多了一个叫“hgfs”的文件夹，这

下面的文件夹里就可以放Windows与 Linux需要共享的文件了。

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实验2 Linux系统中程序编辑、编译与调试工具

一、实验目的

1、熟悉使用Linux字符界面、窗口系统的常用命令。 2、熟悉运用Linux常用的编程工具。

3、掌握在Linux操作系统环境上编辑、编译、调试、运行一个C语言程序的全过程。

二、实验内容

1、熟悉开机后登录Linux系统和退出系统的过程；

2、掌握一种Linux的编辑器，特别是字符界面的vi工具的使用（详见VI简易使用手栅）；

3、掌握GCC编译器的基本用法（详见GCC使用手册及常用命令行）；

4、掌握GDB调试程序的方法（详见GDB调试程序手册）。要求在实验报告上完整地进行一个数据结构中c程序的调试，源代码不能少于50行。

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实验3 进程并发与同步

一、实验目的

1、加深对进程概念的理解，区分进程并发执行与串行执行； 2、掌握进程并发执行的原理，理解进程并发执行的特点；

3、了解fork( )系统调用的返回值，掌握用fork()创建进程的方法；熟悉wait、exit等系统调用；

4、能利用相应的系统调用实现进程树与进程间的同步。

二、实验内容

1、编写一C语言程序，实现在程序运行时通过系统调用fork( )创建两个子进程，使父、子三进程并发执行，父亲进程执行时屏幕显示“I am father”，儿子进程执行时屏幕显示“I am son”，女儿进程执行时屏幕显示“I am daughter”。

要求多次连续反复运行这个程序，观察屏幕显示结果的顺序，直至出现不一样的情况为止。要求有运行结果截图与结果分析

2、连续4个fork()的进程家族树，family1-1.c程序清单如下： #include main() {

fork(); fork(); fork(); fork();

printf(“A\\n”); }

请根据程序运行结果，画出进程家族树，并分析原因。

3、修改程序1，在父、子进程中分别使用wait、exit等系统调用“实现”其同步推进，父进程必须等待儿子进程与女儿进程结束，才可以输出消息。写出相应的同步控制，并分析运行结果。

4、创建一个子进程，并给它加载程序，其功能是调用键盘命令“ls -l”，已知该键盘命令的路径与文件名为：/bin/ls。父进程创建子进程，并加载./child2程序。写出相应的程序代码并分析程序运行结果。

三、系统调用

创建子进程系统调用：fork() 格式 int fork( ); =0 返回值 >0 =-1 创建成功，从子进程返回 创建成功，从父进程返回，其值为子进程的PID号 创建失败 子进程创建时操作系统的工作： ? 检查同时运行的进程数目，若超过系统设定值，则创建失败，返回-1； ? 为子进程分配进程控制块task_struct结构，并赋予唯一进程标识符pid； ? 子进程继承父进程打开的所有文件及资源，对父进程的当前目录和所有已打开系统文件表项中的引用记数加1； 4

? 为子进程创建进程映像： ? 创建子进程映像静态部分：复制父进程映像静态部分 ? 创建子进程映像动态部分：初始化task_struct结构 ? 结束创建，置子进程为内存就绪状态，插入就绪队列，作为一个独立的进程被系统调度。 ? 若调用进程（父进程）返回，则返回创建的子进程标识符pid值（此时返回值>0）； ? 若子进程被调度执行，则将其U区计时字段初始化然后返回（此时返回值=0）。

进程睡眠系统调用：sleep() 格式 参数 功能 进程终止系统调用：exit(status) 格式 参数 void exit(int status); status是子进程向父进程发送的终止信息，父进程使用wait( )系统调用来接收这个信息 将进程置僵死状态 功能 释放其所占有的资源 向父进程发本进程死信号，并发送信息status给父进程，将自己及自己的子进程运行CPU的时间总和留待父进程使用wait( )收集 sleep(n); n表示延时的秒数 进程睡眠n秒 头文件 #include 子进程终止时操作系统做以下工作： ? 关闭软中断:因为进程即将终止而不再处理任何软中断信号； ? 回收资源：关闭所有已打开文件，释放进程所有的区及相应内存，释放当前目录及修改根目录的索引节点； ? 写记帐信息：将进程在运行过程中所产生的记帐数据（其中包括进程运行时的各种统计信息）记录到一个全局记帐文件中； ? 置该进程为僵死状态:向父进程发送子进程死的软中断信号，将终止信息status送到指定的存储单元中； ? 转进程调度:因为此时CPU已经被释放，需要由进程调度进行CPU再分配。

父进程等待子进程终止系统调用：wait()与waitpid() 格式1 参数 返回值 pid_t wait([int *stat_addr,] 0); *stat_addr中存放exit()所发来终止信号stat的值。 >=0 =-1 表示有子进程终止，其值为终止子进程的pid号 表示无子进程终止 头文件 #include < sys/wait.h > #include < sys/types.h > 5

功能 父进程使用它等待任意一个子进程终止，如果在执行wait()之前已经有一个子进程结束了，则对其做善后处理，并返回子进程的pid号，如果没有则返回－1，该进程阻塞，插入等待子进程终止的队列，当有子进程终止时被唤醒。在&stat_addr中保留了子进程僵死时的终止信息（不是返回值）。 注意：一个wait()只能用来等待一个子进程终止，如果等待多个子进程终止则需要使用多个wait()。 pid_t waitpid (pid_t pid, int * stat_addr, int options ); pid=0 等待与父进程同组的子进程 等待给定pid号的子进程 pid=-1，options=0 等同于wait()，等待任意子进程 pid>0 等待指定pid的子进程终止 格式2 参数 功能 说明：1）若父进程仅仅只是等待任意一个子进程结束，而不需要取子进程发来的信号，则可以简单地使用wait(0)。 2）如果该进程没有创建自己的子进程就不能使用wait()或waitpid()，否则系统会返回一个出错信息。 3）如果要取子进程执行exit()后所发来的终止信号stat，可以使用*stat来取该变量中的值，而不能使用wait()的返回值，因为wait()的返回值是该终止子进程的pid号。 将指定的可执行文件加载到指定进程映像中，覆盖该进程中原有的程序 系统调用：execl()、execle()、execlp()、execv()、execve()与execvp() 功能 将一个指定的程序装入调用它的进程的映像中，用这个可执行文件的副本去覆盖该进程的程序空间，从而改变调用进程的执行代码，使调用进程执行新引入的可执行程序（二进制代码文件） 内核在响应这组系统调用后做以下工作： 1）根据给出的路径名找到指定的可执行文件，检查该文件是否可执行，用户是否具有执行权限（该文件必须是编译连接后的二进制代码）。 2）将该文件载入到调用它的进程映像中覆盖其原来的程序。 3）为该程序的执行设置参数数组和环境变量。 4）启动该进程进入新的程序入口点去执行。 此组函数执行时，如果加载成功则直接执行，没有返回；若加载不成功则返回-1。 格式1 参数 功能 execv(file, argv) char *file 指向文件全名（路径名/文件名）的指针 char *argv[n] 指向命令及参数的指针 1）执行参数指定的命令或文件。 2）用该命令或可执行文件的副本覆盖调用它的子进程的映像 表示错误返回 返回值 =-1 头文件 #include 格式2 说明 execl(“路径名/文件名”, 0) 功能、返回值、头文件均同格式1 使用方法： 1）事先准备好子进程要执行的程序，并将它编译连接成可执行文件，记下该文件的路径名和文件名。如果不带参数则可以直接使用execl()，带参数则使用execv()。 2）在父进程创建子进程之前，在程序中事先定义子进程要执行的程序文件的文件标识符path6

和参数数组argv[]，其中的环境值可以用NULL取代。如果不带参数使用execl()，则这一步可以不做。 3）创建子进程后，在子进程的分支中，如果不带参数使用execl(filepath,0)，如果带参数则使用execv(filepath,argv)来实现用指定的程序filepath覆盖子进程映像中原有的程序。 7

实验4进程通信

一、实验目的

1、加深理解进程通信的方法与原理；

2、掌握如何利用管道机制、消息缓冲队列、共享存储区机制进行进程间的通信。

二、实验内容 1、了解系统调用pipe()、msgget()、msgsnd()、msgrcv()、msgctl()、shmget()、shmat()、shmdt()、shmctl()的功能和实现过程。

2、编写一C语言程序，使其用管道来实现父子进程间通信。子进程向父进程发送字符串“is sending a message to parent!”；父进程则从管道中读出子进程发来的消息，并将其显示到屏幕上，然后终止。

3、运行该程序，观察、记录并简单分析其运行结果。

三、有名管道、无名管道系统调用 1、创建无名管道的系统调用 创建无名管道的系统调用：pipe() 格式 返回值 参数说明 功能 int pipe(int 管道名[2]); 0 1 正确返回 错误返回 管道名[1]：为写入端 管道名[2]：为读出端 创建一个管道名为指定名称的无名管道，以便于创建管道的进程及其子孙进程共享 头文件 include ? 当进程向管道中写时，数据就复制不予考虑了共享的数据页； ? 从管道中读时，字节从共享页中按照FIFO的顺序复制出来。

? 当所有进程完成管道的操作后，管道的i结点和共享数据页被释放。

进程A的file结构i结点finodefop文件操作函数read、write等fp[1]父子进程write(fp[1],buf,size)finodefop文件操作函数read、write等fp[0]read(fp[0],buf,size)父子进程进程B的file结构数据页pipe(fp)图：管道的实现与父子进程的读写操作

2、读写管道的系统调用 读写管道的系统调用：write()、read() 格式 write(管道名[1], buf, size) 8

read(管道名[0], buf, size) 参数说明 说明 buf：程序中定义的字符型数组或缓冲区； size：读写的信息长度 管道为临界资源，父子进程之间除了需要读写同步以外，在对管道进行读写操作时还需要互斥进入。 为了保证管道操作过程中不至于因为用户的疏忽而死锁，Linux采用以下措施来避免死锁： ? 当进程因读或写等待时，要检查管道的另一端是否已经关闭，如果发现对方已经关闭则

直接返回，不再等待。

? 当进程关闭管道时，要检查管道的另一端是否正处于等待状态，如果是，则要先唤醒对

方，然后再关闭管道。

? 如果进程需要实现互斥，因为管道是文件，可以使用对文件上锁和开锁的系统调用。

3、文件上锁、开锁系统调用 文件上锁、开锁系统调用：lockf() 格式 lockf(files, function, size) files 参数说明 function size 是需要加以封锁的文件描述符，此处可以是管道的读写端口 为1表示上锁，为0表示开锁 表示锁定或开销的字节数，其值为0则表示文件全部内容

4、命名管道创建系统调用 命名管道创建系统调用：mkfifo() 格式 功能 返回值 头文件 int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode); 专门用于创建FIFO 权限值，如0777表示所有用户都可读、可写、可执行 正确返回0，错误返回-1. #include #include 参数说明 mode mknod用于创建一般的设备文件

四、Linux消息缓冲通信的系统调用

1、创建一个消息队列或获取已存在消息队列的标识 创建消息队列/获取已存在消息队列的系统调用：msgget() 命令格式 int msgget(key_t key, int msgflag); 功能 返回值 创建标识为key值的消息队列或者获取已存在的消息队列的描述符msgid 正确返回该消息队列的描述符msgid； 错误返回－1。 msgqid 参数说明 key flag 头文件 9

语句格式 msgid=msgget (key, msgflag)； 该系统调用返回的消息队列描述符，-1表示失败； 用户指定的消息队列标识符，为一正整数，其值可以由用户指定，如果使用IPC_PRIVATE则由系统产生key值； 用户设置的标志或访问方式，其值由操作权限和控制命令进行或运算得到 #include #include

操作允许权 八进制数 操作允许权 八进制数 用户可读 0400 小组可写 0020 用户可写 0200 其他可读 0004 小组可读 0040 其他可写 0002 控制命令 值 IPC_CREAT （创建） 0001000 2、发送一条消息到指定的消息队列 发送一条消息到指定的消息队列系统调用：msgsnd() 命令格式 int msgsnd(int msgid, struct msgbuf* msgp, int size, int flag); 功能 发送一个消息给指定描述符的消息队列。将msgp所指向的msgbuf中的消息复制到消息数据结构并挂到指定消息队列尾，唤醒等待消息的进程 msgqid msgp 参数说明 size flag 执行msgget()返回的消息队列的描述符 指向用户存储区的一个消息缓冲msgbuf的指针，在msgbuf中包含消息类型和消息正文 由msgp指向的数据结构中字符数组的长度（消息长度） 规定当核心用尽内部空间时应执行的动作。 例如：若在flag中设置了IPC_NOWAIT，则当消息队列中的字节数超过最大值msgsnd立即返回，否则msgsnd睡眠。flag可置0。 头文件 #include #include 3、从消息队列接收消息 从消息队列接收消息的系统调用：msgrcv() 命令格式 int msgrcv( int msgid, struct msgbuf* msgp, int size, int type, int flag); 功能 从指定的消息队列接收一个消息。将消息复制到msgp所指的msgbuf中，从消息队列中删除此消息，若消息未到则调用进程阻塞，并将该进程插入等待消息队列尾。 msgid 消息队列描述符； msgp size 参数说明 type 用来存放要接收消息的用户msgbuf的地址； msgp中数据数组的大小； =0 表示接收队列的第一个消息； 用户要读取的消息类型 >0 表示接收类型type的第一个消息； <0 表示接收小于或等于|type|的最低类型的第一个消息 flag 头文件 规定若该队列无消息，操作系统核心应当做什么，可设置为0. #include #include 4、对消息队列的操作 对消息队列操作的系统调用：msgctl() 命令格式 int msgctl( int msgid, int cmd, struct msgid_ds *buf ); 功能 返回值 查询一个消息队列的状态；设置或修改它的状态；撤消一个消息队列 函数调用成功返回0；不成功返回-1. 10

参数说明 msgid 该消息队列的描述符； cmd 规定命令的类型 ? IPC_STAT查询消息队列状态，将与msgid相关联的消息队列首标读入buf； ? IPC_SET设置或修改消息队列状态，设置有效用户、组标识、操作允许权，及字节数； ? IPC_RMID撤消描述符为msgid的消息队列； 含有控制参数或查询结果的用户缓冲区的地址，可设置为0 buf 头文件 #include #include 注意：设置和撤消消息队列的进程需要有一定的权限，如超级用户、具有有效用户ID、符合msg_perm权限设置等。

四、共享内存通信的系统调用 1、创建或获取一个共享内存 创建/获取一个共享内存的系统调用：shmget() 命令格式 shmget(key, size, flag); 功能 说明 获得一个内部标识为shmid的共享存储区 该函数创建的共享内存区域并没有立即分配物理内存，而是创建一个文件对象shm_file来描述该区域。Shm_file文件并不属于磁盘文件，而是由内存页面组成，因此当系统亲面时，其中的内容也随之消失。 共享存储区关键字，可以由用户指定，如果使用IPC_PRIVATE，则其值由系统产生。 存储区的大小（字节数）。如果存储区定义为字符型，则大小为定义的字符个数；如果存储区定义为整型，大小可以使用sizeof(int)加以定义。 用户设置的标志或访问方式，与消息缓冲shmget中的含义相同。可以使用066|IPC_CREAT，表示任意进程可读可写。 语句格式 int shmid=int shmget(key_t key, int size, int flag); key 参数说明 size flag 返回值 头文件 正确时返回共享存储区的内部标识符shmid，错误时返回-1。 #include #include 2、将共享内存附接到进程的虚拟地址空间 将共享内存附接到进程虚拟地址空间的系统调用：shmat() 命令格式 功能 语句格式 字符型共享内存 数值型共享内存 字符型共享内存 数值型共享内存 shmid shmaddr 参数说明 shmflag shmat(int shmid, char *shmaddr, int msgflg, ulong *raddr); shmat(int shmid, int *shmaddr, int msgflg, ulong *raddr); viraddr=(char*) shmat(shmid, shmaddr, shmflag); viraddr=(int*) shmat(shmid, shmaddr, shmflag); 逻辑上将内部标识符为shmid的共享存储区附接到进程的虚拟地址空间shmaddr 共享存储区的描述符，可以由shmget()的返回值得到。 用户提供的共享存储区附接的虚地址。若shmaddr为0，则由系统选择一个适当的地址来附接该存储区。 规定了对该存储区的操作权限，以及系统是否要对用户规定的地址执行舍去操作。如果shmflag中设置了SHM_RND，则表示操作系统在必要时舍去这个地址；如果设置SHM_RDONLY则表示只允许读，11

shmflag为0表示可读可写。 viraddr 返回值 头文件 附接的虚地址。若定义为char *viraddr，则该共享内存作为字符存储区使用；若定义为int *viraddr，则该共享内存作为整型存储区使用。 正确时返回共享存储区附接后的虚地址，错误时返回-1。 #include #include 3、将共享内存从进程的地址空间断开 将共享内存从进程地址空间断开的系统调用：shmdt() 命令格式 shmdt(viraddr); 功能 返回值 头文件 将一个共享存储区从指定进程的虚拟地址空间断开 正确时返回0，错误时返回-1。 #include #include 参数说明 viraddr 系统调用shmat()所返回的虚地址 4、对共享内存的操作 对共享内存操作的系统调用：shmget() 命令格式 功能 shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf) 对与共享存储区关联的各种参数进行操作，从而对共享存储区进行控制，包括删除共享存储区 shmid 共享存储区的内部标识符，由shmget()调用返回 buf 用户级数据结构地址，其结构类型与系统定义的shmid_ds一致,可以用0 规定操作的类型。其规定如下： ? IPC_STAT：返回包含在指定的shmid相关数据结构中的状态信息，并把它放置在用户存储区中的*buf指针所指的数据结构中。执行此命令的进程必须有读取允许权。 ? IPC_SET：对于指定的shmid，为它设置有效用户和小组标识符和操作存取权。 ? IPC_RMID：删除指定的shmid以及与它相关的共享存储区的数据结构。 ? SHM_LOCK：在内存中锁定指定的共享存储区，必须是超级用户才可以进行此项操作。 参数说明 cmd 返回值 头文件 正确时返回0，错误时返回-1。 #include #include 与消息缓冲类似，对于共享内存的删除也要有权限，如超级用户进程等，所以上机实习时应该使用root登录。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/u7m3.html