計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告.doc

北方工業(yè)大學(xué)實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告 書學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號(hào) 班 級(jí) 2012 2013 學(xué)年 第 一 學(xué)期計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱進(jìn)程管理實(shí)驗(yàn)序號(hào)1實(shí)驗(yàn)日期實(shí)驗(yàn)人一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?加深對(duì)進(jìn)程概念的理解，明確進(jìn)程和程序的區(qū)別2進(jìn)一步認(rèn)識(shí)并發(fā)執(zhí)行的實(shí)質(zhì)3分析進(jìn)程爭(zhēng)用資源的現(xiàn)象，學(xué)習(xí)解決進(jìn)程互斥的方法4了解Linux系統(tǒng)中進(jìn)程通信的基本原理二、相關(guān)背景知識(shí)進(jìn)程: 進(jìn)程是操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)；是一個(gè)正在執(zhí)行的程序；計(jì)算機(jī)中正在運(yùn)行的程序?qū)嵗?；可以分配給處理器并由處理器執(zhí)行的一個(gè)實(shí)體；由單一順序的執(zhí)行顯示，一個(gè)當(dāng)前狀態(tài)和一組相關(guān)的系統(tǒng)資源所描述的活動(dòng)單元。并發(fā)執(zhí)行:在操作系統(tǒng)中，是指一個(gè)時(shí)間段中有幾個(gè)程序都處于已啟動(dòng)運(yùn)行到運(yùn)行完畢之間，且這幾個(gè)程序都是在同一個(gè)處理機(jī)上運(yùn)行，但任一個(gè)時(shí)刻點(diǎn)上只有一個(gè)程序在處理機(jī)上運(yùn)行。Fork( )：一個(gè)現(xiàn)有進(jìn)程可以調(diào)用fork函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程。由fork創(chuàng)建的新進(jìn)程被稱為子進(jìn)程（child process）。若成功調(diào)用一次fork()則返回兩個(gè)值，子進(jìn)程返回0，父進(jìn)程返回子進(jìn)程ID；否則，出錯(cuò)返回-1。子進(jìn)程是父進(jìn)程的副本，它將獲得父進(jìn)程數(shù)據(jù)空間、堆、棧等資源的副本。注意，子進(jìn)程持有的是上述存儲(chǔ)空間的“副本”，這意味著父子進(jìn)程間不共享這些存儲(chǔ)空間。進(jìn)程互斥:兩個(gè)或兩個(gè)以上的進(jìn)程,不能同時(shí)進(jìn)入關(guān)于同一組共享變量的臨界區(qū)域,否則可能發(fā)生與時(shí)間有關(guān)的錯(cuò)誤,這種現(xiàn)象被稱作進(jìn)程互斥.進(jìn)程通信:兩個(gè)并行進(jìn)程可以通過互相發(fā)送消息進(jìn)行合作，消息是通過消息緩沖而在進(jìn)程之間相互傳遞的。管道:在Linux中，管道是一種使用非常頻繁的通信機(jī)制。從本質(zhì)上說，管道也是一種文件，但它又和一般的文件有所不同，管道可以克服使用文件進(jìn)行通信的兩個(gè)問題，具體表現(xiàn)為限制管道的大小和讀取進(jìn)程也可能工作得比寫進(jìn)程快。從管道讀數(shù)據(jù)是一次性操作，數(shù)據(jù)一旦被讀，它就從管道中被拋棄，釋放空間以便寫更多的數(shù)據(jù)。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1進(jìn)程的創(chuàng)建編寫一段程序，使用系統(tǒng)調(diào)用fork()創(chuàng)建兩個(gè)子進(jìn)程。當(dāng)此程序運(yùn)行時(shí)，在系統(tǒng)中有一個(gè)父進(jìn)程和兩個(gè)子進(jìn)程活動(dòng)。讓每一個(gè)進(jìn)程在屏幕上顯示一個(gè)字符：父進(jìn)程顯示字符“a”；子進(jìn)程分別顯示字符“b”和字符“c”。試觀察記錄屏幕上的顯示結(jié)果，并分析原因。2進(jìn)程的控制修改已有程序，將每個(gè)進(jìn)程輸出一個(gè)字符改為每個(gè)進(jìn)程輸出幾行字符，再觀察程序執(zhí)行時(shí)屏幕上的現(xiàn)象，并分析原因。如果在程序中使用系統(tǒng)調(diào)用lockf()來給每一個(gè)進(jìn)程加鎖，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的互斥，觀察并分析出現(xiàn)的現(xiàn)象。3進(jìn)程的軟中斷通信使用系統(tǒng)調(diào)用fork()創(chuàng)建兩個(gè)子進(jìn)程，再用系統(tǒng)調(diào)用signal()讓父進(jìn)程捕捉鍵盤上來的中斷信號(hào)（即按Del鍵）；當(dāng)捕捉到中斷信號(hào)后，父進(jìn)程用系統(tǒng)調(diào)用kill()向兩個(gè)子進(jìn)程發(fā)出信號(hào)，子進(jìn)程捕捉到信號(hào)后分別輸出下列信息后終止：Child process 1 is killed by parent!Child process 2 is killed by parent!父進(jìn)程等待兩個(gè)子進(jìn)程終止后，輸出如下的信息后終止：Parent process is killed!4進(jìn)程的管道通信編制一段程序，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的管道通信。使用系統(tǒng)調(diào)用pipe()建立一條管道線；兩個(gè)子進(jìn)程P1和P2分別向管道各寫一句話：Child 1 is sending a message!Child 2 is sending a message!而父進(jìn)程則從管道中讀出來自于兩個(gè)子進(jìn)程的信息，顯示在屏幕上。要求父進(jìn)程先接收P1發(fā)來的消息，然后再接收P2發(fā)來的消息。四、關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與函數(shù)的說明第3題中的兩個(gè)函數(shù)stop( )和waiting( )的含義分別是：void waiting() while(wait_mark!=0); /當(dāng)?shù)却龢?biāo)記wait_mark不為零時(shí)，等待，直到wait_mark=0函數(shù)結(jié)束，執(zhí)行后面的語(yǔ)句；void stop() wait_mark=0; /收到了停止信號(hào)，將wait_mark置為0；五、編譯與執(zhí)行過程截圖1.編譯和運(yùn)行結(jié)果（多次運(yùn)行結(jié)果不同）：2.無鎖時(shí)的編譯和運(yùn)行結(jié)果：有鎖時(shí)的編譯和運(yùn)行結(jié)果：3.編譯和運(yùn)行結(jié)果如下：4.編譯和運(yùn)行結(jié)果如下：六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析1運(yùn)行時(shí)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)bca，有時(shí)bac，也有acb等情況，這是因?yàn)檫M(jìn)程是并發(fā)執(zhí)行的。Fork()創(chuàng)建進(jìn)程所需要的時(shí)間要多于輸出一個(gè)字符的時(shí)間，因此在主進(jìn)程創(chuàng)建進(jìn)程2的同時(shí)，進(jìn)程1就輸出了“b”，而進(jìn)程2和主進(jìn)程的輸出順序是隨機(jī)性的，所以會(huì)出現(xiàn)上述結(jié)果。2未加鎖時(shí)，輸出的順序是亂的，有時(shí)是son，有時(shí)是child，有時(shí)是daughter；而加了鎖后輸出是順序的但具體son、daughter、child誰在前誰在后則不一定（原因同第一題）。未加鎖時(shí)，由于函數(shù)printf()輸出的字符之間不會(huì)被中斷，因此字符串內(nèi)部的字符順序輸出時(shí)不變。但由于進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行時(shí)的調(diào)度順序和父子進(jìn)程的搶占處理機(jī)問題，輸出字符串的順序和先后隨著執(zhí)行的不同而發(fā)生變化。加鎖后，某個(gè)進(jìn)程搶到處理機(jī)后一直使用至其結(jié)束再解鎖，讓給其他進(jìn)程，顧能連續(xù)輸出。3當(dāng)輸入中斷信號(hào)后，父進(jìn)程調(diào)用kill()函數(shù)，向子進(jìn)程發(fā)信號(hào)，子進(jìn)程收到信號(hào)后，調(diào)用stop()函數(shù)，置等待信號(hào)wait_mark為0，繼續(xù)執(zhí)行，不會(huì)被困在waiting()里，上鎖，輸出，解鎖，調(diào)用exit()，結(jié)束子進(jìn)程，同時(shí)告訴父進(jìn)程子進(jìn)程已結(jié)束，繼續(xù)執(zhí)行父進(jìn)程。4父子進(jìn)程通過管道進(jìn)行通信。在子進(jìn)程未結(jié)束前父進(jìn)程一直等待，當(dāng)某個(gè)子進(jìn)程結(jié)束后，父進(jìn)程從管道中讀取子進(jìn)程寫入的字符串，并打印。子進(jìn)程要做的工作是：先打印自己的名字，上鎖，寫管道，解鎖，結(jié)束并告訴父進(jìn)程自己已結(jié)束。七、調(diào)試時(shí)遇到的問題及解決方法（提供BUG截屏）實(shí)驗(yàn)中沒有遇到較大的問題，多是一些小的語(yǔ)法錯(cuò)誤，改正后得到正確的結(jié)果。八、調(diào)試后的程序源代碼1.#includemain() int p1,p2; while(p1=fork()=-1); if(p1=0) putchar(b); else while(p2=fork()=-1); if(p2=0) putchar(c); else putchar(a); 2.無鎖：#includemain() int p1,p2,i; while(p1=fork()=-1); if(p1=0) for(i=0;i50;i+) printf(child %dn,i); else while(p2=fork()=-1); if(p2=0)for(i=0;i50;i+) printf(son %dn,i); elsefor(i=0;i50;i+) printf(daughter %dn,i); 有鎖：#include#includemain() int p1,p2,i; while(p1=fork()=-1); if(p1=0) lockf(1,1,0); for(i=0;i50;i+)printf(child %dn,i); lockf(1,0,0); else while(p2=fork()=-1); if(p2=0) lockf(1,1,0); for(i=0;i50;i+) printf(son %dn,i); lockf(1,0,0); else lockf(1,1,0); for(i=0;i50;i+) printf(daughter %dn,i); lockf(1,0,0); 3.#include#include#includevoid waiting();void stop(); int wait_mark=0;main() int p1,p2; while(p1=fork()=-1); if(p10) while(p2=fork()=-1); if(p20) printf(parentn); wait_mark=1; signal(SIGINT,stop); waiting(0); kill(p1,16); kill(p2,17); wait(0); wait(0); printf(parent process is killedn); exit(0); else printf(p2n); wait_mark=1; signal(17,stop); signal(SIGINT,stop); waiting(); lockf(1,1,0); printf(child process 2 is killed by parentn); lockf(1,0,0); exit(0); else printf(p1n); wait_mark=1; signal(16,stop); signal(SIGINT,stop); waiting(); lockf(1,1,0); printf(child process 1 is killed by parentn); lockf(1,0,0); exit(0); void waiting()while(wait_mark!=0);void stop()wait_mark=0;4.#include#include#includeint pid1,pid2;main() int fd3; char OutPipe100,InPipe100; pipe(fd); while(pid1=fork()=-1); if(pid1=0) printf(p1n); lockf(fd1,1,0); sprintf(OutPipe,Child 1 process is sending a message!); write(fd1,OutPipe,50); sleep(1); lockf(fd1,0,0); exit(0); else while(pid2=fork()=-1);if(pid2=0) printf(p2n); lockf(fd1,1,0); sprintf(OutPipe,Child 2 process is sending a message!); write(fd1,OutPipe,50); sleep(1); lockf(fd1,0,0); exit(0); else printf(parentn); wait(0); read(fd0,InPipe,50); printf(%sn,InPipe); wait(0); read(fd0,InPipe,50); printf(%sn,InPipe); exit(0); 九、實(shí)驗(yàn)體會(huì)通過本次實(shí)驗(yàn)，我加深對(duì)進(jìn)程概念的理解，明確了進(jìn)程和程序的區(qū)別，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到了并發(fā)執(zhí)行的實(shí)質(zhì)，分析進(jìn)程爭(zhēng)用資源的現(xiàn)象，了解了fork()函數(shù)和lockf()函數(shù)的用法，學(xué)習(xí)了解決進(jìn)程互斥的方法，了解Linux系統(tǒng)中進(jìn)程通信的基本原理，讓我感覺受益匪淺。計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱存儲(chǔ)管理實(shí)驗(yàn)序號(hào)2實(shí)驗(yàn)日期實(shí)驗(yàn)人一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵笳?qǐng)求頁(yè)式存儲(chǔ)管理是一種常用的虛擬存儲(chǔ)管理技術(shù)。本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^請(qǐng)求頁(yè)式存儲(chǔ)管理中頁(yè)面置換算法的模擬設(shè)計(jì)，了解虛擬存儲(chǔ)技術(shù)的特點(diǎn)，掌握請(qǐng)求頁(yè)式存儲(chǔ)管理的頁(yè)面置換算法。二、相關(guān)背景知識(shí)頁(yè)式存儲(chǔ)管理：將各進(jìn)程的虛擬空間劃分成若干個(gè)長(zhǎng)度相等的頁(yè)(page)，頁(yè)式管理把內(nèi)存空間按頁(yè)的大小劃分成片或者頁(yè)面（page frame），然后把頁(yè)式虛擬地址與內(nèi)存地址建立一一對(duì)應(yīng)頁(yè)表，并用相應(yīng)的硬件地址變換機(jī)構(gòu)，來解決離散地址變換問題。頁(yè)式管理采用請(qǐng)求調(diào)頁(yè)或預(yù)調(diào)頁(yè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外存存儲(chǔ)器的統(tǒng)一管理。頁(yè)面置換算法：在地址映射過程中，若在頁(yè)面中發(fā)現(xiàn)所要訪問的頁(yè)面不再內(nèi)存中，則產(chǎn)生缺頁(yè)中斷。當(dāng)發(fā)生缺頁(yè)中斷時(shí)操作系統(tǒng)必須在內(nèi)存選擇一個(gè)頁(yè)面將其移出內(nèi)存，以便為即將調(diào)入的頁(yè)面讓出空間。而用來選擇淘汰哪一頁(yè)的規(guī)則叫做頁(yè)面置換算法。常用的頁(yè)面置換算法有最佳置換算法（OPT）（理想置換算法），先進(jìn)先出置換算法（FIFO），最近最久未使用（LRU）算法，Clock置換算法（LRU算法的近似實(shí)現(xiàn)），最少使用（LFU）置換算法，工作集算法，工作集時(shí)鐘算法，老化算法（非常類似LRU的有效算法），NRU(最近未使用）算法，第二次機(jī)會(huì)算法。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1） 通過隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生一個(gè)指令序列，共320條指令。指令的地址按下述原則生成：1. 50%的指令是順序執(zhí)行的；2. 25%的指令是均勻分布在前地址部分；3. 25%的指令是均勻分布在后地址部分；具體的實(shí)施方法是：1. 在0，319的指令地址之間隨機(jī)選取一起點(diǎn)m；2. 順序執(zhí)行一條指令，即執(zhí)行地址為m+1的指令；3. 在前地址0，m+1中隨機(jī)選取一條指令并執(zhí)行，該指令的地址為m；4. 順序執(zhí)行一條指令，其地址為m+1；5. 在后地址m+2, 319中隨機(jī)選取一條指令并執(zhí)行；6. 重復(fù)上述步驟15，直到執(zhí)行320次指令。（2） 將指令序列變換成頁(yè)地址流，設(shè)1. 頁(yè)面大小為1K；2. 用戶內(nèi)存容量為4頁(yè)到32頁(yè)；3. 用戶虛存容量為32K。在用戶虛存中，按每K存放10條指令排列虛存地址，即320條指令在虛存中存放的方式為：第0條至第9條指令為第0頁(yè)（對(duì)應(yīng)虛存地址為0，9）；第10條至第19條指令為第1頁(yè)（對(duì)應(yīng)虛存地址為10，19）；第310條至第319條指令為第31頁(yè)（對(duì)應(yīng)虛存地址為310，319）；按以上方式，用戶指令可以組成32頁(yè)。（3） 計(jì)算并輸出下述各種算法在不同內(nèi)存容量下的命中率。1. 先進(jìn)先出頁(yè)面淘汰算法（FIFO）2. 最近最久未使用頁(yè)面淘汰法（LRU）命中率=1 - 頁(yè)面失效次數(shù)/頁(yè)地址流長(zhǎng)度在本實(shí)驗(yàn)中，頁(yè)地址流長(zhǎng)度為320，頁(yè)面失效次數(shù)為每次訪問相應(yīng)指令時(shí)，該指令對(duì)應(yīng)的頁(yè)不在內(nèi)存的次數(shù)。四、關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與函數(shù)的說明頁(yè)面結(jié)構(gòu)：typedef struct int pn,pfn,counter,time; pl_type; 頁(yè)面控制結(jié)構(gòu)：struct pfc_structint pn,pfn; struct pfc_struct *next; ; 初始化函數(shù)：void initialize();先進(jìn)先出置換算法（FIFO）函數(shù)：void FIFO( ); 最近最久未使用置換算法（LRU）函數(shù)：void LRU( ); 五、編譯與執(zhí)行過程截圖使用gcc命令對(duì)源文件second.c進(jìn)行編譯，并運(yùn)行生成的second，編譯結(jié)果和執(zhí)行結(jié)果截圖如下：六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析當(dāng)頁(yè)面數(shù)較小時(shí)，兩種算法的指令命中率均較低，當(dāng)頁(yè)面數(shù)逐漸增大，命中率也會(huì)隨之增大。多次運(yùn)行綜合來看，LRU的命中率要優(yōu)于FIFO。七、調(diào)試時(shí)遇到的問題及解決方法（提供BUG截屏）Bug截屏：原因分析：初始化時(shí)，未置頁(yè)面控制結(jié)構(gòu)中的頁(yè)號(hào)、頁(yè)面為空，未置頁(yè)面控制結(jié)構(gòu)中的訪問次數(shù)為0、時(shí)間為-1。八、調(diào)試后的程序源代碼#include #include #include #define TRUE 1 #define FALSE 0 #define INVALID -1 /#define NULL 0 #define total_instruction 320 /*指令流長(zhǎng)*/ #define total_vp 32 /*虛頁(yè)長(zhǎng)*/ #define clear_period 50 /*清零周期*/ typedef struct /*頁(yè)面結(jié)構(gòu)*/ int pn,pfn,counter,time; pl_type; pl_type pltotal_vp; /*頁(yè)面結(jié)構(gòu)數(shù)組*/ struct pfc_struct /*頁(yè)面控制結(jié)構(gòu)*/ int pn,pfn; struct pfc_struct *next; ; struct pfc_struct pfctotal_vp,*freepf_head, *busypf_head, *busypf_tail; int diseffect, atotal_instruction;int pagetotal_instruction, offsettotal_instruction; void initialize();void FIFO( ); void LRU( ); int main() int S,i;srand(10*getpid(); /*由于每次運(yùn)行時(shí)進(jìn)程號(hào)不同，故可用來作為初始化隨機(jī)數(shù)隊(duì)列的“種子”*/S=(int)(319.0*rand()/RAND_MAX)+1; for(i=0;itotal_instruction;i+=4) /*產(chǎn)生指令隊(duì)列*/ ai=S; /*任選一指令訪問點(diǎn)*/ ai+1=ai+1; /*順序執(zhí)行下一條指令*/ai+2=(int)(1.0*ai*rand()/RAND_MAX); /*執(zhí)行前地址指令m*/ ai+3=ai+2+1; /*執(zhí)行后地址指令*/S=(int)(1.0*rand()*(318-ai+2)/RAND_MAX)+ai+2+2;for(i=0;itotal_instruction;i+) /*將指令序列變換成頁(yè)地址流*/pagei=ai/10;offseti=ai%10; for(i=4;i=32;i+) /*用戶內(nèi)存工作區(qū)從個(gè)頁(yè)面到個(gè)頁(yè)面*/ printf(%2d page framest,i);FIFO(i);LRU(i); return 0;void initialize(int total_pf) /*初始化相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)*/int i;diseffect=0;/for(i=0;itotal_vp;i+) pli.pn=i; pli.pfn=INVALID; /*置頁(yè)面控制結(jié)構(gòu)中的頁(yè)號(hào)、頁(yè)面為空*/ pli.counter=0; pli.time=-1; /*置頁(yè)面控制結(jié)構(gòu)中的訪問次數(shù)為0、時(shí)間為-1*/ for(i=1;itotal_pf;i+)pfci-1.next=&pfci; pfci-1.pfn=i-1; /*建立pfci-1和pfci之間的鏈接*/ pfctotal_pf-1.next=NULL;pfctotal_pf-1.pfn=total_pf-1;freepf_head=&pfc0; /*空頁(yè)面隊(duì)列的頭指針為pfc0*/void FIFO(int total_pf) int i; struct pfc_struct *p; initialize(total_pf); /*初始化相關(guān)頁(yè)面控制用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)*/ busypf_head=busypf_tail=NULL; /*忙頁(yè)面隊(duì)列，隊(duì)列尾鏈接*/ for(i=0;inext;plbusypf_head-pn.pfn=INVALID;freepf_head=busypf_head; /*釋放忙頁(yè)面隊(duì)列中的第一個(gè)頁(yè)面*/ freepf_head-next=NULL;busypf_head=p;p=freepf_head-next; /*按FIFO方式調(diào)新頁(yè)面入內(nèi)存頁(yè)面*/ freepf_head-next=NULL;freepf_head-pn=page