UNIX系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)（頁(yè)）

1、實(shí)驗(yàn)一實(shí)現(xiàn)帶參數(shù)的簡(jiǎn)單shell實(shí)驗(yàn)一利用課本第9頁(yè)程序1-5的框架，實(shí)現(xiàn)允許輸入命令帶參數(shù)的簡(jiǎn)單shello 原來(lái)的實(shí)現(xiàn)是不能夠帶參數(shù)的。輸入命令所能帶的參數(shù)個(gè)數(shù)，只受到系統(tǒng)鍵盤(pán)輸 入緩沖區(qū)長(zhǎng)度(以及shell輸入緩沖區(qū)長(zhǎng)度)的限制，該緩沖區(qū)的缺省長(zhǎng)度是4096 個(gè)字節(jié)。實(shí)現(xiàn)時(shí)要解決的主要問(wèn)題有：1. 正確理解并使用系統(tǒng)調(diào)用fork(), execve()和waitpid(),特別是execve()函數(shù)。 fork()函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程。新進(jìn)程就是所謂的子進(jìn)程，它是執(zhí)行fork()函數(shù)的 進(jìn)程(父進(jìn)程)的“克隆”，也就是說(shuō)，子進(jìn)程執(zhí)行的程序與父進(jìn)程的完全一-樣。 當(dāng)fork()函數(shù)返回值為

2、0時(shí)表示處于子進(jìn)程中；而返回值大于0時(shí)表示處于父進(jìn) 程中，此時(shí)的返回值是了進(jìn)程的進(jìn)程ido因此，fork()的返回值可以用來(lái)劃分僅 僅適合父進(jìn)程和子進(jìn)程執(zhí)行的程序段。fork()函數(shù)返回值為1時(shí)表示岀錯(cuò)。如果子進(jìn)程只是運(yùn)行與父進(jìn)程完全-樣的程序，那用處是很有限的。要讓子進(jìn)程 運(yùn)行不同于父進(jìn)程的程序，就必須調(diào)用execve函數(shù)，它是所冇其他exec函數(shù)的 基礎(chǔ)。execve函數(shù)把調(diào)用它的進(jìn)程的程序，替換成execve函數(shù)的參數(shù)所指定的 程序。運(yùn)行execve函數(shù)成功后，進(jìn)程將開(kāi)始運(yùn)行新的程序，也就是execve函數(shù) 的參數(shù)所指定的程序。execve 函數(shù)原型：int execve(const c

3、har * path, const char *argvf,const char * envpf); 其中：path：要執(zhí)行的程序路徑名，比如“/bin/ls”，“cd”，“/usr/bin/gcc”等等。argv：參數(shù)表，比如is命令屮可帶的命令行參數(shù)等。注意，argv的第一個(gè)元 素必須是要執(zhí)行的程序(命令)的路徑名。envp：環(huán)境變量表，供要執(zhí)彳亍的命令使用。實(shí)參數(shù)用null或系統(tǒng)環(huán)境變量environ 均口j。注意，因?yàn)閑nviron由系統(tǒng)提供，屬于外部變量，所以說(shuō)明時(shí)必須用“extern” 修飾。例子：char *argv = “gcc", “g", “hello.

4、c", null;char *argvl = “/bin/ls",null;execve(t7usr/bin/gcc, argv, environ); / 編譯程序"hello.c” execve(4t/bin/ls, argvl, null); / 執(zhí)行命令 “is 1 a” execvec7usr/ls”, argvl, null); 出錯(cuò)，因?yàn)槟夸?usr/下沒(méi)有 is 程序。注意，在argvl的第一個(gè)字符串“/bin/ls”中，只有is是有用的。系統(tǒng)調(diào)用waitpid()用于等待子進(jìn)程結(jié)束、獲取子進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)，詳細(xì)說(shuō)明在第 八章。木實(shí)驗(yàn)僅僅用它使父進(jìn)程等

5、待了進(jìn)程結(jié)束，因此維持程序1-5的用法即可。2. 根據(jù)簡(jiǎn)單shell的輸入，構(gòu)造execve函數(shù)的參數(shù)。根據(jù)程序15,數(shù)組buf保存用戶(hù)的輸入，包括命令和參數(shù)。由于shell命令的命 令名和各參數(shù)之間是用空格分開(kāi)，因此可以用空格作為分界符。通過(guò)一個(gè)循環(huán)可 以把buf數(shù)組中的命令和各個(gè)參數(shù)依次分離開(kāi)來(lái)，并賦給數(shù)組argv的各元素適當(dāng) 的指針值。argv數(shù)組的最后個(gè)指針必須是null。接著就可以調(diào)用 execve(argv0,argv, environ)來(lái)執(zhí)行用廣1輸入的命令。捉示：argv數(shù)組中各指針?biāo)赶虻淖址?，可以直接利用buf的存儲(chǔ)空間，不需 要另外分配內(nèi)存。3. 正確編譯程序。曲于書(shū)中

6、例子用到了本書(shū)第一版中作者自己定義的error.c文件，因此編譯吋要記 得把error.c文件和源代碼文件一起編譯，error.c文件可以到cs8的 /home/luwei/common目錄下復(fù)制?？梢杂萌绮访罹幾g：gcc v源文件名error.c - ov可執(zhí)行文件名實(shí)驗(yàn)二 同步與異步write的效率比較1、程序的參數(shù)和輸入實(shí)驗(yàn)要求程序必須指定輸出的文件名，而該文件是否按同步方式打開(kāi)，則是可以 選擇的。因此程序至少帶一個(gè)、至多兩個(gè)輸入?yún)?shù)。程序默認(rèn)從標(biāo)準(zhǔn)輸入 stdin_filen0讀取輸入文件，可以利用shell的輸入定向功能選擇具體的輸入 文件。2、系統(tǒng)調(diào)用times()的說(shuō)明#inc

7、lude <sys/times.h>clock_t times(struct tms *buf);struct tms clock_t tms_utime; /*記錄進(jìn)程除系統(tǒng)調(diào)用外所使用的cpu時(shí)間*/ clock_t tms_stime; /*記錄進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用所使用的cpu時(shí)間*/ clock_t tms_cutime; /*記錄子進(jìn)程除系統(tǒng)調(diào)用外所使用的cpu時(shí)間*/ clock_t tms_cstime; /*記錄子進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用所使用的cpu時(shí)間*/ ； times函數(shù)的返回值是進(jìn)程迄今為止的存活時(shí)間。所冇時(shí)間都是以“滴答”為單 位的，函數(shù)sysconf(_sc_clk

8、_tck)可獲得所運(yùn)行系統(tǒng)每秒的滴答數(shù)(參考課木 p33)。3、計(jì)算write耗費(fèi)的吋間為了準(zhǔn)確計(jì)算write耗費(fèi)的時(shí)間，很重要的就是要避免將read的時(shí)間計(jì)入，因?yàn)?i/o操作的時(shí)間通常是毫秒級(jí)的，不可以忽略。一種有效的方法是，設(shè)置一個(gè)與 輸入文件長(zhǎng)度相同的緩沖區(qū)，一次性地將輸入文件讀入緩沖區(qū)，而后就不必再讀 輸入文件。這樣就可以有效避免計(jì)入read的時(shí)間。有同學(xué)可能會(huì)問(wèn)，難道可以在內(nèi)存中創(chuàng)建一個(gè)幾十上百兆乃至上g的緩沖區(qū)嗎？ 回答是沒(méi)問(wèn)題！因?yàn)槲覀兯\(yùn)行的操作系統(tǒng)系統(tǒng)具有虛擬存儲(chǔ)管理功能。設(shè)置輸入緩沖區(qū)時(shí)需要知道輸入文件的長(zhǎng)度。除了使用系統(tǒng)調(diào)用suit外，更簡(jiǎn)單 的方法是利用lseek的返

9、冋值來(lái)獲取文件的長(zhǎng)度。在按每一個(gè)給定大小的輸出緩沖區(qū)計(jì)算寫(xiě)文件時(shí)間時(shí)，應(yīng)當(dāng)在開(kāi)始寫(xiě)之前調(diào)用 times。，記錄下開(kāi)始吋間，然后在整個(gè)輸入緩沖區(qū)都復(fù)制到輸出文件之后，再調(diào) 用times(),兩次調(diào)用times()的時(shí)間間隔，就是在這個(gè)給定大小的輸出緩沖區(qū)的 限制卜，復(fù)制整個(gè)輸入文件所耗費(fèi)的寫(xiě)時(shí)間。至于在每一次寫(xiě)的時(shí)候所執(zhí)行的其 他語(yǔ)句，它們相較于i/o操作，所花費(fèi)的時(shí)間極小，可以忽略不計(jì)。注意，在開(kāi)始按一個(gè)給定大小的輸出緩沖區(qū)復(fù)制輸入文件吋，應(yīng)當(dāng)先將輸出文件 的寫(xiě)位置復(fù)位到輸出文件的開(kāi)頭(這意味著不能以o-append方式打開(kāi)輸出文 件)?？梢允褂胠seek做到這一點(diǎn)，以避免多次打開(kāi)、關(guān)閉輸出文

10、件。實(shí)驗(yàn)三目錄樹(shù)的遍歷實(shí)驗(yàn)三主要以課本99-102頁(yè)程序47為框架，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展。需要 注意的問(wèn)題主要有：1. 正確理解程序47。程序47遞歸降序遍歷口錄層次結(jié)構(gòu)，并按照文件類(lèi)型進(jìn) 行計(jì)數(shù)。主要涉及到三個(gè)函數(shù)，ftw4(), dopath()和myfunc()o ftw4()函數(shù)以所 帶參數(shù)pathname為要遍歷的起始目錄，計(jì)算出該目錄下各種不同類(lèi)型的文件 的個(gè)數(shù)和所占百分比，并顯示出來(lái)。它調(diào)用了另外兩個(gè)函數(shù)，一個(gè)是dopath() 函數(shù)，這是一個(gè)遞歸函數(shù)，對(duì)指定的起始目錄下的毎個(gè)目錄項(xiàng)，按深度優(yōu)先 進(jìn)行遍歷；而對(duì)所訪問(wèn)的節(jié)點(diǎn)，則調(diào)用myfunc()進(jìn)行處理。main函數(shù)輸擊統(tǒng) 計(jì)結(jié)果

11、。三個(gè)函數(shù)的參數(shù)含義如下：(1) myftw(char* pathname, myfunc* func); pathname給出指要遍丿力開(kāi)始的目錄。func是myfunc類(lèi)型的函數(shù)指針，定義訪問(wèn)的實(shí)際操作。(2) dopath(myfunc* func)；參考第一個(gè)函數(shù)(3) int myfunc(const char * pathname,const struct stat *statptr,int type)； pathname指向當(dāng)前訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)的路徑名。statptr指向當(dāng)前訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)的i節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)保存有許多該文件的 信息。type給出當(dāng)前訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)的類(lèi)型，在實(shí)驗(yàn)中可以自己定義它的涵

12、義。 myfunc()的返回值通常是0,實(shí)際上在程序4-7中它的值總是0。但是在 dopath()函數(shù)屮，myfimc()的返回值非0意味著終止遍歷。另外，程序47中用到課本23中的函數(shù)path_alloc(),用于分配存放路徑名 的內(nèi)存空間。2. 實(shí)驗(yàn)三要求根據(jù)用戶(hù)輸入的命令行選項(xiàng)的不同，來(lái)實(shí)現(xiàn)三種功能：(1) argc為2時(shí)，命令格式為myfind <pathname>它除了實(shí)現(xiàn)程序47功能外，還要統(tǒng)計(jì)出，在常規(guī)文件屮，文件長(zhǎng)度不大于4096字節(jié)的常規(guī)文件，在所冇允許訪問(wèn)的普通文件屮所占的百 分比。程序也不允許打印出任何路徑名。這個(gè)功能實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，只要 略加修改myfunc(

13、)和main()這兩個(gè)函數(shù)就可以了。(2) argc為4且argv2= “comp"時(shí),命令格式為myfind <pathname> comp <filename>它的功能是，輸出在<pathname>目錄子樹(shù)之下，所有與vfilename文件 內(nèi)容一致的文件的絕對(duì)路徑名。不允許輸出任何其它的路徑名，包括不 可訪問(wèn)的路徑名。為提高程序效率，在比較文件是否相同時(shí)，可先比較 兩個(gè)文件的大小，如果大小不同，則內(nèi)容肯定不同，這樣就免去了讀文 件所浪費(fèi)的時(shí)間；如果大小相同，則再通過(guò)讀文件進(jìn)行比較。此時(shí)應(yīng)當(dāng) 注意輸入緩沖區(qū)不必開(kāi)的太大，你可以從實(shí)驗(yàn)二得到啟發(fā)。

14、由于要求輸 出符合要求的文件的絕對(duì)路徑名，因此當(dāng)參數(shù)pathname不是絕對(duì)路徑 時(shí)，要調(diào)用getcwd()等函數(shù)來(lái)取得文件的絕對(duì)路徑名。(3) argc大于等于4且argv2 = 6<-name,?時(shí)，命令格式為myfind <pathname> -name <str>.vsu>是一個(gè)以空格分隔的文件名序列(不帶目錄)。命令輸出在 <pathname> 口錄子樹(shù)之下，所有與vstr>序列屮文件名相同的文件的絕 對(duì)路徑名。不允許輸出不可訪問(wèn)的或無(wú)關(guān)的路徑名。實(shí)現(xiàn)方法可以通過(guò) 循環(huán)，把當(dāng)前遍歷的文件名和vsti>這個(gè)序列中的文件名進(jìn)行比

15、較，如杲 和序列屮的一個(gè)文件名相同，就符合條件，此時(shí)輸岀符合條件的文件的 絕對(duì)路徑名。3. 在實(shí)現(xiàn)上述三種功能吋，主要是通過(guò)實(shí)現(xiàn)三個(gè)不同的myfunco來(lái)完成的。第 一個(gè)功能只須對(duì)myfunc()略加修改即口j。而第二個(gè)和第三個(gè)功能，則需要分別定 義另外兩個(gè)函數(shù)，不妨分別稱(chēng)做myfunc2()和myfunc3(),去完成指定的功能。至 于dopath()函數(shù)則基本不必修改，因?yàn)樗皇前瓷疃葍?yōu)先完成對(duì)目錄樹(shù)的遍丿力， 這是一種“標(biāo)準(zhǔn)”操作。而遍歷時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)(即文件或目錄)的操作(所謂的“訪 問(wèn)”)則是由具體參數(shù)func()決定的。不過(guò)，如果你覺(jué)得程序輸出的絕對(duì)路徑名 因?yàn)楹小啊倍粔蛎烙^，則也可

16、以對(duì)dopath()函數(shù)略做修改來(lái)糾正這個(gè)缺欠。實(shí)驗(yàn)四模擬“五個(gè)哲學(xué)家”問(wèn)題該實(shí)驗(yàn)的要點(diǎn)是，解決并發(fā)環(huán)境下，多進(jìn)程z間的同步與互斥問(wèn)題。進(jìn)程 間的同步互斥必然涉及進(jìn)程間的通信(信息交換)。但是進(jìn)程的內(nèi)存空間是彼此 隔離的，因此它們之間的通信只能通過(guò)如下手段：ipc機(jī)制、管道、信號(hào)或文件。 就目前所學(xué)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)要求而言，使用文件是可行的，有關(guān)方法見(jiàn)目錄"common" 下的文件“ lock.h” 和 “l(fā)ock.c”。由于程序要生成多個(gè)進(jìn)程，因此述要對(duì)作業(yè)控制的機(jī)制冇所了解，這部分 內(nèi)容請(qǐng)參考第九章。如在課堂上所說(shuō)的，如果哲學(xué)家中同時(shí)存在左撇子和右撇子，則哲學(xué)家問(wèn) 題有解。模

17、擬程序的框架如下所示，其中，函數(shù)lock()和unlock()的定義見(jiàn)前面 所說(shuō)的文件。定義5個(gè)文件,分別表示5個(gè)叉子。其文件名可以按如下方式說(shuō)明: static char* forks5 = “forko“，“forkl“, ufork2u, “fork3“, “fork4“;哲學(xué)家的行為可以用如下函數(shù)描述:void philosopher(int i)while(l) thinking(i, nsecs); takefork (i); eating(i, nsecs); putfork(i);/哲學(xué)家i思考nsecs秒/哲學(xué)家i拿起叉子/哲學(xué)家i進(jìn)餐nsecs秒/哲學(xué)家i放下叉子在主程序里

18、,可以用下面的程序段生成5個(gè)哲學(xué)家進(jìn)程:#define n 5for(i = 0; i < n; i+) pid = fork(); if( pid = 0 ) philosopher(i)； wait(null); /*注意，如果父進(jìn)程不等待子進(jìn)程的結(jié)束，那么需要終止程序 運(yùn)行時(shí)，就只能從控制臺(tái)刪除在后臺(tái)運(yùn)行的哲學(xué)家進(jìn)程*/拿起叉子可以如此定義: void takefork(i)if( i = n 1 ) lock( forks0); lock( forksi);else lock( forki); lock( forkfi + 1);放下叉子可以如此定義: void putfork(

19、i)if( i = n 1 ) unlock( forksfo); unlock( forksi);else unlock( forki); unlock( forkfi + 1);實(shí)驗(yàn)五信號(hào)處理本實(shí)驗(yàn)要求利用可靠信號(hào)機(jī)制解決信號(hào)處理時(shí)可能出現(xiàn)的時(shí)間窗口，以及非 局部轉(zhuǎn)移等問(wèn)題，將學(xué)習(xí)使用 sigaction, alarm, sigpending, sigsetjmp 和 siglongjmp 等函數(shù)解決在處理信號(hào)時(shí)遇到的問(wèn)題。一個(gè)方便的開(kāi)始:在程序清單1-8的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改?？梢灾苯永孟到y(tǒng)shell（在cs8是bash）： execl（'7bin/sh", “sh&quo

20、t;, buf, （char *） 0）;這樣程序sigtest就具有系統(tǒng)shell的全部功能。如果命令帶選項(xiàng)，則在創(chuàng)建 執(zhí)行上面函數(shù)的子進(jìn)程之前，必須設(shè)置鬧鐘；在子進(jìn)程結(jié)束之后，必須將鬧鐘清 零。需要處理的信號(hào):因?yàn)樾枰褂敏[釗a所以實(shí)驗(yàn)需要處理兩個(gè)信號(hào)：sigalrm和sigquit。 如果當(dāng)前程序正在執(zhí)行用戶(hù)命令，則信號(hào)處理函數(shù)必須“殺死”用戶(hù)命令進(jìn)程： kill（pid, sigkill）; / pid 為用戶(hù)命令進(jìn)程的 id對(duì)于信號(hào)sigquit述冇一種可能：正在接收用戶(hù)輸入的命令串。此時(shí)需要 放弄當(dāng)前輸入，重新開(kāi)始接收輸入。解決方法可能需要使用非局部轉(zhuǎn)移機(jī)制。信號(hào)sigalrm和s

21、1gqu1t之間嵌套關(guān)系的處理如果這兩個(gè)信號(hào)同時(shí)發(fā)生，或者在處理信號(hào)sigalrm時(shí)產(chǎn)生信號(hào)sigquit （或者反過(guò)來(lái)），那么應(yīng)當(dāng)如何處理？無(wú)論如何，如果同時(shí)存在多個(gè)未決信號(hào)， 系統(tǒng)總是一個(gè)信號(hào)處理完了，再處理下一個(gè)信號(hào)，但是在處理完全部未決信號(hào)之 前，不會(huì)返回被屮斷的函數(shù)或系統(tǒng)調(diào)用。因此合理的處理方法是，無(wú)論上述兩個(gè)信號(hào)哪個(gè)先處理,另一個(gè)未決信號(hào)就 應(yīng)該忽略（清除未決信號(hào)）;在處理其中一個(gè)信號(hào)時(shí),屏蔽另_個(gè)信號(hào)（如果發(fā) 生,就是未決信號(hào)）。static volatile pid_t pid; 全局變量，存放執(zhí)行用戶(hù)命令的子進(jìn)程的id,/非0表正在執(zhí)行用戶(hù)命令設(shè)置信號(hào)sigalrm處理方式的

22、代碼(供參考)：struct sigaction act, oact;act.sa_handler = func; / 信號(hào) sigalrm 的處理函數(shù)sigemptyset(&act.sa_mask);sigaddset(&act.sa_mask, sigquit); 在處理信號(hào) sigalrm 時(shí)，屏蔽信號(hào)/ sigquitact.sa_flags = 0;#ifdef sa_restart /如果定義了該常量，則系統(tǒng)默認(rèn)不重啟，應(yīng)改為重啟 act.sa_flags 1= sa_restart;#endifsigaction(sigalrm, &act, &

23、oact);信號(hào)sigquit處理函數(shù)的末尾應(yīng)該包含如下代碼段(供參考)：sigset_t pendmask;sigemptyset(&pendmask);sigpending(&pendmask); /獲得未決信號(hào)集合pid = 0;/表示當(dāng)前無(wú)正在執(zhí)行的用戶(hù)命令alarm(o); /清除鬧鐘if(sigmember(&pendmask, sigalrm) / 存在未決信號(hào) sigalrm signal(sigalrm, sig_ign);/ 清除未決信號(hào) sigalrmsigaction(sigalrm, &act, null); / 恢復(fù)原來(lái)的處理方法實(shí)驗(yàn)

24、六用線程解決“n個(gè)哲學(xué)家”問(wèn)題在這個(gè)實(shí)驗(yàn)里，待解決的就是如何使用線程描述的問(wèn)題。由于同一個(gè)進(jìn)程屮 的所有線程共享相同的內(nèi)存空間，因此口j以使用全局變量表示叉子。但是，為了 避免“時(shí)間窗口”，仍然必須使用“原了”操作進(jìn)行互斥?？梢允褂迷趕emaphore.h 里說(shuō)明的信號(hào)量完成這個(gè)需求，具體細(xì)節(jié)參考課件和聯(lián)機(jī)文檔。模擬程序的框架 如下：定義一個(gè)全局的信號(hào)量指針,表示叉子?？梢园慈缦路绞秸f(shuō)明: static sem_t *forks;哲學(xué)家的行為可以用如下函數(shù)描述:void * philosopher(void *n) int i = (int) n;while(l) thinking(i, nsecs); / 哲學(xué)家 i 思考 nsecs 秒takefork(i);/哲學(xué)家i拿起叉子eating(i, nsecs); / 哲學(xué)