NWPU計算機學院OS課內(nèi)實驗指導

西北工業(yè)大學計算機學院

計算機操作系統(tǒng)實驗指導

張羽方智毅谷建華編

目錄

一、操作系統(tǒng)課內(nèi)實驗目的-1-

二、操作系統(tǒng)實驗整體安排和要求-2-

2.1整體安庫-2-

2.2課內(nèi)實驗考核方案-2-

2.3實驗環(huán)境要求-3-

2.3.1硬件環(huán)境-3-

2.3.2軟件環(huán)境-3-

三、熟悉系統(tǒng)的安裝與使用-4-

3.1實驗一Opensolaris操作系統(tǒng)的安裝及使用-4-

3.1.1實驗目的-4-

3.1.2實驗預習內(nèi)容-4-

3.1.3實驗內(nèi)容及步驟-4-

3.1.4實驗總結(jié)-6-

3.2實驗二vi編輯器的學習和使用-7-

3.2.1實驗目的-7-

3.2.2實驗預習內(nèi)容-7-

3.2.3實驗內(nèi)容及步驟-7-

3.2.4實驗總結(jié)…...-8-

四、內(nèi)核監(jiān)視與動態(tài)跟蹤實驗-9-

4.1概述-9-

4.1.1MDB簡介-9-

4.1.2Dtrace簡介-11-

4.2實驗三系統(tǒng)調(diào)用(systemcalls)-14-

4.2.1實驗目的-14-

4.2.2實驗預習內(nèi)容-14-

4.2.3實驗內(nèi)容及步驟-14-

4.2.4實驗總結(jié)-17-

4.3實驗四進程與線程(processesandthreads)-18-

4.3.1實驗目的-18-

4.3.2實驗預習內(nèi)容-18-

4.3.3實驗內(nèi)容及步驟-18-

4.3.4實驗總結(jié)-28-

4.4實驗五存儲管理(memorymanagement)-29-

4.4.1實驗目的-29-

4.4.2實驗預習內(nèi)容-29-

4.4.3實驗內(nèi)容及步驟-29-

4.4.4實驗總結(jié)-29-

4.5實驗六文件系統(tǒng)與I/O(filesystem&I/O)-33-

4.5.1實驗目的-33-

4.5.2實驗預習內(nèi)容-33-

4.5.3實驗內(nèi)容及步驟-33-

4.5.4實驗總結(jié)-34-

?、操作系統(tǒng)課內(nèi)實驗目的

一、操作系統(tǒng)課內(nèi)實驗目的

計算機操作系統(tǒng)課內(nèi)實驗作為操作系統(tǒng)課堂理論教學的輔助部分是加強計

算機科學與技術專業(yè)實踐的重要環(huán)節(jié)之一。由于操作系統(tǒng)自身的龐大和復雜，造

成學生在學過操作系統(tǒng)課程后，總有一種“霧里看花”的感覺，即只是支離破碎

的了解了一些操作系統(tǒng)局部知識，而很難將這些知識融會貫通，對于運用操作系

統(tǒng)知識從事設計和應用更是無從談起。本實驗課的目的就是力圖解決上述問題。

本實驗課基于Sunmicrosystem公司的Opensolarisforx86操作系統(tǒng)平臺，通

過Opensolaris提供的Dtrace工具，對操作系統(tǒng)的內(nèi)核進行動態(tài)跟蹤。在一系列

的實驗中，學生通過對操作系統(tǒng)內(nèi)核中的探針（probe）進行編程，能清晰地看

到內(nèi)核的動態(tài)映像、準確地檢測系統(tǒng)的狀態(tài)，從而使學生加深了對操作系統(tǒng)理論

的理解、提高了學習的興趣、加強了實踐的能力，在一定程度上也培養(yǎng)了學生自

己動手解決操作系統(tǒng)故障的能力。

-1-

:、操作系統(tǒng)實驗整體安排和要求

二、操作系統(tǒng)實驗整體安排和要求

2.1整體安排

課內(nèi)實驗將按以下三個方面進行：對常用的系統(tǒng)調(diào)用命令的使用方式有一個

較熟練的掌握；對典型操作系統(tǒng)的編程基礎知識和機制進行學習和了解；運用一

些重要的系統(tǒng)調(diào)用編寫程序模塊，對操作系統(tǒng)中的一些重要概念和典型算法進行

實現(xiàn)或驗證。實驗內(nèi)容如下：

第一部分：熟悉系統(tǒng)的安裝與使用

實驗」Opensolaris操作系統(tǒng)的安裝與使用

實驗二vi編輯器的學習和使用

第二部分：利用MDB、Dtrace工具對內(nèi)核進行監(jiān)視和跟蹤

實驗三系統(tǒng)調(diào)用(systemcall)

實驗四進程與線程(processesandthreads)

實驗五存儲管理(memorymanagement)

實驗六文件系統(tǒng)與I/O(filesystem&I/O)

2.2課內(nèi)實驗考核方案

操作系統(tǒng)課內(nèi)實驗考核按照預習報告30%、上機實驗35%、實驗報告35%

的比例進行。

預習報告內(nèi)容包括兩部分，?是對相關知識學習的書面總結(jié)(知識綜述和參

考文獻)；二是對本次實驗的分析報告(主要針對涉及算法的題目)。實驗報告內(nèi)

容主要包括本次實驗的上機結(jié)果(數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序框圖、源程序文檔和運行情況)

以及實驗中難點分析和心得。

-2-

:、操作系統(tǒng)實驗整體安排和要求

2.3實驗環(huán)境要求

2.3.1硬件環(huán)境

80386DX以上兼容機，可以使用Intel、AMD系列處理器，主板可以是支持

ISA、ESA或PCI總線結(jié)構(gòu)，主存最小要求2MB,建議64MB以上。硬盤支持

IDE、SCSI接口的控制器，容量最小為500MB,建議2GB以上，顯示器可以使

用VGA、EGA、CGA或SUPERVGA的顯示卡或顯示器，網(wǎng)卡可以使用各種通

用的以太網(wǎng)及局域網(wǎng)卡。

2.3.2軟件環(huán)境

要求操作系統(tǒng)為Solaris8以上。建議使用Solaris10。

實驗工具為dtracejab實驗包。

-3-

三、熟悉系統(tǒng)的安裝與使用

三、熟悉系統(tǒng)的安裝與使用

3.1實驗一Opensolaris操作系統(tǒng)的安裝及使用

3.1.1實驗目的

學習Opensolaris操作系統(tǒng)的安裝，體會操作系統(tǒng)為了方便用戶，不斷改進

的安裝過程；熟悉Opensolaris系統(tǒng)的登錄和退出，并熟悉它常用命令的操作使

用方法。

3.1.2實驗預習內(nèi)容

Unix/Linux操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程，Solaris操作系統(tǒng)的主要發(fā)行版本；對目前

Unix/Linux/Solaris的主流論壇的了解；認真閱讀有關Solaris安裝資料?，了解磁

盤分區(qū)的方式，了解Solaris對硬件（CPU、內(nèi)存和硬盤空間）的要求、安裝過

程；進入和退出系統(tǒng)的命令，有關文件系統(tǒng)中的目錄創(chuàng)建、修改和刪除，有關文

件系統(tǒng)中的文件建立、刪除、編輯、查詢、歸檔和壓縮等和有關系統(tǒng)管理等。

3.1.3實驗內(nèi)容及步驟

Solaris操作系統(tǒng)的安裝（SAID自動安裝盤安裝）

1、收集硬件配置資料（硬盤空間大小、顯卡類型、顯存大小、網(wǎng)卡類型等

基本信息）；

2、使用SAID安裝Solaris,要求磁盤上已存在一個Solaris分區(qū)或一塊未分

配、未格式化且可作為主分區(qū)的磁盤空間。如果目前系統(tǒng)上只安裝了Windows,

那么磁盤上必須要有--塊未分配的磁盤空間（大于8GBytes）。因為Solaris安裝

程序需要一塊未分配的磁盤空間來創(chuàng)建Solaris類型的fdisk主分區(qū)，用來存放

Solaris操作系統(tǒng)。如果目前磁盤上所有空間都已分配，可用pqmagic或其它磁盤

分區(qū)工具通過減小或刪除已有分區(qū)來劃分出一塊未用的磁盤空間。另外，由于磁

盤最多只允許有4個主分區(qū)，所以現(xiàn)有主分區(qū)數(shù)量不要多于3個，以預留一個主

分區(qū)給Solaris。安裝過程中，已有的FAT/FAT32/NTFS格式的分區(qū)將被保留，現(xiàn)

有的Windows系統(tǒng)不會被破壞，而且在安裝完Solaris10后Windows系統(tǒng)仍然能

被正常引導。

3、BIOS設置：在BIOS中將系統(tǒng)啟動方式設置為光盤引導，保存設置，重

新啟動。

-4-

三、熟悉系統(tǒng)的安裝與使用

4、光盤安裝：系統(tǒng)以光盤方式啟動后，安裝即自動進行，無需人工進行任

何干預(個別情況下可能會跳出kdmconfig程序提示對Xserver進行選擇，根據(jù)

提示繼續(xù)即可)安裝結(jié)束后，光盤自動彈出。取出光盤，回車，系統(tǒng)將自動重啟。

5、啟動Solaris操作系統(tǒng)：Solaris通過使用Grub程序來支持多系統(tǒng)的引導。

開機自檢過后，屏幕上將出現(xiàn)Grub引導界面，提示對操作系統(tǒng)進行選擇，分別

是：

SolarisNevadasnv_50X86

Solarisfailsafe

Windows

選擇第一項，啟動Solaris11。

說明：SAID預置了對Windows操作系統(tǒng)引導的支持，如果想啟動先前安裝

的Windows操作系統(tǒng)，可選擇第一項，將進入原Windows的引導界面(可對現(xiàn)

有的多個Windows操作系統(tǒng)進行引導)。

6、登錄Solaris

以root用戶登錄，用戶名：root；密碼：root

Solaris操作系統(tǒng)的使用

(1)登錄、退出和關閉系統(tǒng)；

(2)man命令的使用；

(3)—help命令的使用；

(4)1s命令的使用；

(5)cp命令的使用

(6)ps命令的使用

(7)grep命令的使用

(8)head、tail命令的使用

(9)mv命令的使用

(10)echo命令的使用

(ll)whatis命令的使用；

(12)whereis命令的使用;

-5-

三、熟悉系統(tǒng)的安裝與使用

(13)find命令的使用；

(14)sort命令的使用；

(15)tar命令的使用；

(16)apropos命令的使用

(17)gzip解壓縮歸檔文件命令的使用；

(18)mkdir命令的使用

3.1.4實驗總結(jié)

整理出以上命令的使用手冊(功能、命令格式、常用參數(shù)說明以及命令使用

實例)。

-6-

三、熟悉系統(tǒng)的安裝與使用

3.2實驗二vi編輯器的學習和使用

3.2.1實驗目的

通過對vi編輯器的學習和使用，熟悉Unix類環(huán)境下的正文編輯程序及其作

用。

3.2.2實驗預習內(nèi)容

認真學習Linux的正文編輯的相關基礎知識，了解其編輯方式、插入方式和

命令方式。

3.2.3實驗內(nèi)容及步驟

使用“ESC”鍵在命令模式和插入模式之間進行切換。各項操作命令如下：

1、進入插入模式

a追加，I插入，。在當前行下插入一空行；A在行尾追加，I從行首插入，0

在當前行上插入一空行。

2、復制正文

yy復制當前行，nyy復制n行，yw復制一個詞，y）復制從光標至句末的所

有正文；y｝復制從光標至句首的所有正文，nyx復制類型為X。

3、刪除正文

x刪除一個字符，dd刪除當前行，ndd刪除n行，dw刪除一個單詞（從光

標處開始），nx刪除n個字符，Agndd刪除n行正文到緩沖區(qū)g中，AGndd刪除

n行正文追加到緩沖區(qū)g中，c$從當前光標處刪至行尾，”從當前光標處刪至行

首，ndw（或dnw）刪除n個詞。

4、替換正文

P將緩沖區(qū)的內(nèi)容粘貼到當前光標處，AgP將g緩沖區(qū)里的內(nèi)容粘貼到當前

行下，AgP將g緩沖區(qū)的內(nèi)容粘貼到當前行上，rn用字符n替換當前字符。

5、查找定位

nG將光標定位到第n行，AF向前一屏，向后一屏，向下半屏，向

上半屏。

6、文件操作

:w寫盤，：wq（或:ZZ）寫盤退出，：q!不存盤退出，：e!不存盤不退出，u恢

復前一步的改變，：efilename編輯文件名，：wfilename寫文件名，：w!filename

重寫文件名，：!cmd運行一個命令，然后返回，75顯示當前文件和行號。

-7-

三、熟悉系統(tǒng)的安裝與使用

3.2.4實驗總結(jié)

1）說明vi的三種主要操作方式。

2）對上述各vi操作舉例列表說明。

-8-

四、內(nèi)核監(jiān)視與動態(tài)跟蹤實驗

四、內(nèi)核監(jiān)視與動態(tài)跟蹤實驗

4.1概述

4.1.1MDB簡介

MDB(ModularDebugger)是Solaris操作系統(tǒng)自帶的內(nèi)核級調(diào)試工具。它

為調(diào)試這些程序和方案提供完全可自定義環(huán)境，其中包括動態(tài)模塊工具，它可以

讓程序員自己定義調(diào)試命令來對執(zhí)行程序進行特定的分析。每個MDB模塊都可

用于在兒種不同的上下文(包括實時的和事后的)中檢查程序。Solaris操作系

統(tǒng)包含一組MDB模塊，旨在幫助程序員調(diào)試Solaris內(nèi)核以及相關的設備驅(qū)動

程序和內(nèi)核模塊。

MDB可提供范圍廣泛的功能集合，用于分析Solaris內(nèi)核和其他目標程序。

它可以實現(xiàn)以下功能：

+查找特定線程分配的所有內(nèi)存

*歹U顯內(nèi)核STREAM的直觀圖

*確定特定地址所引用的結(jié)構(gòu)類型

*在內(nèi)核中查找已泄漏的內(nèi)存塊

*分析內(nèi)存以查找棧跟蹤

在Solaris系統(tǒng)中，以共享通用功能的兩個命令提供MDB：mdb和kmdbo

可以使用mdb命令以交互方式或在腳本中調(diào)試實時用戶進程、用戶進程核心轉(zhuǎn)

儲文件、內(nèi)核崩潰轉(zhuǎn)儲、實時操作系統(tǒng)、目標文件和其他文件。在還需要控制和

停止內(nèi)核執(zhí)行時，可以使用kmdb命令調(diào)試實時操作系統(tǒng)內(nèi)核和設備驅(qū)動程序。

-9-

四、內(nèi)核監(jiān)視與動態(tài)跟蹤實驗

MDBLanguageMDBModuleAPI

DebuggerEngine

disassemblerlibkvmtarget/proctarget

圖4-1MDB體系結(jié)構(gòu)

在本實驗課中，我們將用MDB來打印一些內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

mdb中輸入命令的格式是：

expression::dcmd

e.g.0x300acde123::ps

通過

::dmods-IHess

或者::dcmds

可以找到mdb中的命令。如果需要翻頁查找，可以在命令后面加上!lesso

如果需要了解一個命令的參數(shù)，輸入

::help命令名

例如，查看ps命令的更多信息：

::helpps

具體的MDB命令使用方法將在具體的實驗中說明。

-10-

四、內(nèi)核監(jiān)視與動態(tài)跟蹤實驗

4.1.2Dtrace簡介

DTrace是一個用于SolarisTM操作系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤框架。它可用于檢查用戶

程序和操作系統(tǒng)的行為，可由系統(tǒng)管理員或應用程序開發(fā)者使用，適用于實時生

產(chǎn)系統(tǒng)。DTrace允許用戶查看系統(tǒng)，以便了解其工作方式、在軟件的多個層之

間跟蹤性能問題或找出導致異常行為的原因。用戶可以使用DTrace來創(chuàng)建自己

的自定義程序，以便動態(tài)地檢測系統(tǒng)，并對可用Dtrace的編程語言D語言闡明

的任意問題做出快速簡明的回答。

DTrace允許所有Solaris用戶執(zhí)行以下操作：

*動態(tài)地啟用和管理數(shù)以千計的探測器

，動態(tài)地將邏輯謂詞和操作與探測器相關聯(lián)

*動態(tài)地管理跟蹤緩沖區(qū)和緩沖區(qū)策略

4顯示和檢查來自實時系統(tǒng)或崩潰轉(zhuǎn)儲的跟蹤數(shù)據(jù)

DTrace允許Solaris開發(fā)者和管理員執(zhí)行以下操作：

,實現(xiàn)使用DTrace工具的自定義腳本

*實現(xiàn)使用DTrace檢索跟蹤數(shù)據(jù)的分層工具

Dtrace工具的動態(tài)跟蹤功能是通過散布在整個Solaris系統(tǒng)中的兒萬個probe

（探測器）來實現(xiàn)的。probe類似于位于系統(tǒng)中受關注位置的一些可編程傳感器。

如果要確定系統(tǒng)的狀態(tài)，可使用DTrace對相應的傳感器進行編程，以便記錄關

注的信息。當每個probe觸發(fā)時，DTrace便會從probe中收集數(shù)據(jù)并向用戶報告。

如果未對probe指定任何操作，DTrace將僅記錄probe的每次觸發(fā)。

請注意，每個probe的名稱由四個部分組成：

表4-1probe各部分的名稱含義

名稱含義

提供器(provider)發(fā)布此探測器的DTrace提供器的名稱。提供器名稱通常與執(zhí)行檢測過

程以啟用探測器的DTrace內(nèi)核模塊的名稱相對應。

模塊(module)此探測器對應于特定的程序位置時，為探測器所在模塊的名稱。該名

稱為內(nèi)核模塊的名稱或用戶庫的名稱。

函數(shù)(function)此探測器對應于特定的程序位置時，為探測器所在程序函數(shù)的名稱。

名稱（name）探測器名稱的最后組成部分是一個有助于您了解探測器語義的名稱

（如BEGIN或END）。

-11-

四、內(nèi)核監(jiān)視與動態(tài)跟蹤實驗

寫出完整的人工可讀的探測器名稱時，用冒號分隔列出該名稱的所有四個部

分，如下所示：

#probedescriptions

provider:module:function:name

D語言腳本程序的結(jié)構(gòu)如下:

probedescriptions

/predicate/

(

actionstatements

}

當D腳本執(zhí)行時，探測器描述所指定的probe就會被打開。當probe被觸發(fā)

并且predicate（斷言）為真時，聲明的操作就會執(zhí)行。

用如下命令查看系統(tǒng)中的所有probeo

#dtrace-1

IDPROVIDERMODULEFUNCTIONNAME

1dtraceBEGIN

2dtraceEND

3dtraceERROR

4fasttrapfasttrapfasttrap

5vminfounixpage_reclaimpgrec

6sysinfounixmutex_vector_entermutex_adenters

7schedunixsetkpdqenqueue

8schedunixsetfrontdqenqueue

9schedunixsetbackdqenqueue

10schedunixdispdeqdequeue

11schedunixdispdequeue

省略了許多行

43290lockstatgenunixthreadJockthread-spin

43291lockstatgenunixthread_lock_highthread-spin

-12-

四、內(nèi)核監(jiān)視與動態(tài)跟蹤實驗

Dtrace的體系結(jié)構(gòu)如下圖所示:

libdtrace(3LIB)

用戶級

dtrace(7D)

一丙核

DTrace

DTrace

圖4-2Dtrace體系結(jié)構(gòu)和組件概覽

Dtrace腳本的運行方式，是在終端中輸入“./filename”,如運行sleep.d腳本

就是在終端中鍵入"./sleep.d"：

#./sleep.d

有些腳本需要帶參數(shù)，就直接跟在腳本后面輸入即可，如：

#./syscall.d1516

腳本的退出有兩種情況，一種是自動退出，一種是強制退出。

自動退出又包含了兩種情況，一種是在執(zhí)行腳本時遇到了exit語句；另一種

是通過-c指定了運行的命令，命令結(jié)束后，腳本也跟著結(jié)束。

強制退出是使用kill或pkill結(jié)束腳本，也就是另外運行一個shell,然后運

行kill或pkill結(jié)束dtrace進程。或者用Control+C強制推出。

-13-

四、內(nèi)核監(jiān)視與動態(tài)跟蹤實驗

4.2實驗三系統(tǒng)調(diào)用(systemcalls)

4.2.1實驗目的

本實驗從系統(tǒng)調(diào)用入手，讓學生看到fork。函數(shù)被調(diào)用來創(chuàng)建進程的過程，

同時用內(nèi)核跟蹤工具跟蹤新創(chuàng)建的進程進行系統(tǒng)調(diào)用的過程，對系統(tǒng)調(diào)用的調(diào)用

層次和調(diào)用次數(shù)進程統(tǒng)計和打印。

本實驗旨在加深學生對進程的理解，區(qū)分進程和程序的區(qū)別；讓學生對操作

系統(tǒng)內(nèi)核以及系統(tǒng)調(diào)用的過程有一個最直觀的了解。

4.2.2實驗預習內(nèi)容

復習進程的概念，了解vfork。、forkl()函數(shù)的功能和它們的區(qū)別，熟悉在

Solaris系統(tǒng)中的進程管理相關命令。

4.2.3實驗內(nèi)容及步驟

1、在桌面環(huán)境中打開一個終端(在CDE中右擊鼠標，選擇工具-＞終端)。

2、用"#cddtrace」ab”命令進入/dtrace」ab文件夾，所有的實驗素材都在

這個文件夾中。本實驗的腳本在system_calls子目錄中：

#cddtracejab/system__call

#

3、運行fork.d腳本，然后從桌面環(huán)境中再打開一個終端，即可看到如下輸

出：

#./fork.d

forkldtexecforkedPID1513

forkldtwmforkedPID1512

vforkdttermforkedPID1514

forkldttermforkedPID1515

第一列顯示的是調(diào)用fork。函數(shù)進行進程創(chuàng)建的程序名稱，D語言的腳本中

用內(nèi)置變量execname得到。最后一列是被fork創(chuàng)建的新進程的pid,比如pid為

1515的進程運行是CDE環(huán)境下的偽終端程序dttermo

在新打開的終端中運行“echo$$"命令，可以看到該終端的進程號:

#echo$$

1515

#

-14-

四、內(nèi)核監(jiān)視與動態(tài)跟蹤實驗

fork.d腳本的輸出記錄了我們在桌面右擊然后打開一個終端的過程中，那些

進程被創(chuàng)建了、被創(chuàng)建的進程pid是多少。

下圖是這些進程的關系圖：

圖4-3啟動??個終端的過程

4、在新創(chuàng)建的終端中運行gedit程序，這是一個可視化的文本編輯器。

#gedit

這時將出現(xiàn)gedit程序的編輯窗口，如圖4-3所示：

圖4-4gedit文本編輯器

并且運行fork.d腳本的終端將有新的輸出：

-15-

四、內(nèi)核監(jiān)視與動態(tài)跟蹤實驗

黑

dtexecforkedPID1513

fork1dtwmforkedPID1512

vforkdttermforkedPID1514

fork1

;ork1dttermforkedPID1515

shforkedPID1516

進程1516就是剛才啟動的gedit對應的進程pid號。

如果中斷fork.d腳本運行，它將輸出本次運行過程中進程創(chuàng)建的統(tǒng)計數(shù)據(jù):

WHOWHICHFORKCOUNT

*11

dttermfok1

dttermvf

foo*r12

gnectfo12

shfork*16

bash

該數(shù)據(jù)顯示了每個程序進行進程創(chuàng)建的次數(shù)以及用哪個函數(shù)進行創(chuàng)建。

5、接下來，在另一個終端中運行syscall.d腳本，這個腳本需要一個參數(shù)，

即一個進程的pid,我們用1516這個進程來實驗（也就是剛才新啟動的文本編輯

器gedit的進程）。

運行腳本"./syscall.d1516",這個腳本記錄了它跟蹤到的5個gedit進行的

系統(tǒng)調(diào)用，并打印出該系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)調(diào)用其它內(nèi)核函數(shù)的調(diào)用次序

#,/syscall.d1516

dtrace:script\/syscalH.d'matched63212probes

CPUFUNCTION

0->sigaction

0->setsigact

0->sigdelq

0<-sigdelq

0->sigdelq

0<-sigdelq

0<-setsigact

0<-sigaction

0<=sigaction

[……]

腳本運行結(jié)束時打印系統(tǒng)調(diào)用和內(nèi)核函數(shù)調(diào)用的次數(shù)統(tǒng)計情況:

-16-

四、內(nèi)核監(jiān)視與動態(tài)跟蹤實驗

——……systemcalls

read2

sigaction1

write2

-kernelcalls

allocbwait2

msgdsize9

releasestr9

getq_noenab10

kmemcachealloc11

apic_setspl18

putnext19

[……]

我們可以去查看一下sigaction()函數(shù)的源代碼，它位于uts/common/syscall

目錄下的sigaction.c文件中。通過代碼我們也可以驗證上面打印出的調(diào)用順序。

請注意，由于dtrace是動態(tài)跟蹤工具，而函數(shù)流程可能是分支結(jié)構(gòu)，所以打

印出的函數(shù)調(diào)用關系不是唯一的，每一次所顯示的只是那一次運行函數(shù)的調(diào)用關

系。

如果想一直記錄某個進程的系統(tǒng)調(diào)用情況并查看它對內(nèi)核函數(shù)的調(diào)用關系，

可以運行syscalll.d腳本，它將一直跟蹤某個進程的函數(shù)調(diào)用情況，記錄了一個

進程所有的系統(tǒng)調(diào)用以及這個系統(tǒng)調(diào)用進行的內(nèi)核函數(shù)調(diào)用。強行退出時將打印

總的系統(tǒng)調(diào)用次數(shù)。由于輸出很長，這里就不再贅述。

4.2.4實驗總結(jié)

1、通過實驗結(jié)果解釋一下從CDE桌面啟動一個終端，發(fā)生了哪些進程創(chuàng)建

的過程？

2、觀看syscalLd的打印輸出，然后在源代碼中查看被調(diào)用的函數(shù)，了解這

些函數(shù)的功能。

-17-

四、內(nèi)核監(jiān)視與動態(tài)跟蹤實驗

4.3實驗四進程與線程（processesandthreads）

4.3.1實驗目的

通過實驗查看進程的結(jié)構(gòu)proc」的信.息，加深對進程概念的認識；查看內(nèi)核

線程被阻塞時同步對象的類型；查看在TS（分時）調(diào)度等級隊列中的內(nèi)核線程

時間片剩余的情況，體會時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法；查看進程間通信（IPC）機制中

系統(tǒng)調(diào)用的次序。

通過以上幾個實驗，加深學生對理論知識的理解，讓學生對課堂所學知識有

直觀的認識。

4.3.2實驗預習內(nèi)容

學習Solaris操作系統(tǒng)的兩級調(diào)度模型，瀏覽內(nèi)核源代碼中proc結(jié)構(gòu)、klwp

結(jié)構(gòu)和kthread結(jié)構(gòu)的定義，了解相關字段的含義，了解fork函數(shù)的功能，了解

內(nèi)核線程調(diào)度等級的概念。學習IPC的各種機制模型，如共享內(nèi)存、消息隊列、

信號量等。

4.3.3實驗內(nèi)容及步驟

本次實驗分四個部分，需要的腳本和程序在/dtrace」ab/proc_thread目錄下

1用MDB工具查看進程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)proc_to

1、打開一個終端，鍵入命令"mdb-k”進入MDB：

bash-3.00#mdb-k

Loadingmodules:[unixkrtldgenunixspecfsdtraceuppc

pcplusmpufsipsctpusbauhcis1394fctlncalotszfs

randomnfsspppcryptoptmipc]

2、在命令行提示符下輸入命令“ps”，查看當前系統(tǒng)中運行的進程:

-18-

四、內(nèi)核監(jiān)視與動態(tài)跟蹤實驗

.>

DHDpGD

SIDSIUIDFLAGSADDRNAME

RoooO

R3ooO00x00000001fec1dd7csched

R2ooO00x00020001d3224278fsflush

R1ooO00x00020001d3224ae0pageout

R:ps119800x42004000d3225348init

Rpl7188378700x42014000d47cd1e8gpdf

89766300x42004000d47cf388mozilla

-8238

R87387

737300x42014000d32130f0dtterm

R740738740740

R53052753053000x42004000d3213958sh

R52852752852800x42004000d320f1c8Xorg

R525152452400x42004000d321c010fbconsole

00x42000000d3217880snmpd

其中倒數(shù)第二列“ADDR”是該進程結(jié)構(gòu)proc_t的首地址，我們要使用它來

查看進程結(jié)構(gòu)。

2、我們選擇一個進程，比如pid為738的進程（該進程運行的偽終端dtterm

程序）。在MDB中鍵入如下命令：

>d32130f0::printproc_t

{

p_exec=0xd4e32300

p_as=0xd3162238

pjockp=0xd2996880

p_crlock={

_opaque=[0,0]

）

p_cred=0xd488d888

p_swapcnt=0

p_stat=*\002,

p_wcode='\0'

p_pidflag=0

p_wdata=0

p_ppid=0x2e1

pjjarent=0xd47d5038

p_child=0xd3213958

p_psibling=0

p_sibling_ns=0

p_child_ns=0

p_next=0xd47d5038

pjDrev=0xd3213958

p_nextofkin=0xd47d5038

p_orphan=0xd3213958

p_nextorph=0

p_sessp=0xd4e36c98

p_pidp=0xd4eab7e8

p_pgidp=0xd4eab7e8

……（還有很多行）

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四、內(nèi)核監(jiān)視與動態(tài)跟蹤實驗

這里打印了該進程結(jié)構(gòu)proc」的各自段的值，其含義請查閱相關資料。這里

給出一些比較重要的字段的含義：

表4-1proc_t部分字段

字段含義

p_execvnode指針，指向一個ELF文件，最終指向磁盤

上的該進程對應的可執(zhí)行文件o

P-as指向該進程的進程地址空間

P_PPid父進程的pid

p_parent指向父進程proc_t結(jié)構(gòu)的指針

p_child指向第一個子進程結(jié)構(gòu)的指針

p_next^pjDrev維護進程鏈表的指針，指向前后的進程結(jié)構(gòu)

p_orphan孤兒指針，在其子進程被kill后，指向其子進程

創(chuàng)建的子進程。

P_pidp指向一個pid結(jié)構(gòu)體，里面描述了一些pid信息

pjwpid最近分配給該進程的Iwp的id號

pjwpcnt該進程擁有的Iwp數(shù)量

p_utime該進程的用戶態(tài)時間片

p_stime該進程的系統(tǒng)時間片

P.doorjist該進程的door鏈表的首節(jié)點地址

3、可以再繼續(xù)跟蹤一些指針，可以得到豐富的信息，比如我們再查看p_as

指針，它指向了該進程地址空間的信息：

>d32130f0::printproc_tp_as|::walkseg|::printstructseg

(

s_base=0x8038000

s_size=0x10000

s_szc=0

s_flags=0

s_as=0xd3162238

s_tree={

avl_child=[0,0]

avl_parent=0xd4d10c94

avl_child_index=0

avl_balance=0

}

s_ops=segvn_ops

s_data=0xd4d11718

)

[……]

這里打印的是管理該進程地址空間的一個段結(jié)構(gòu)的信息，s.base是段的首地

址，s_size是該段的大小，s_data是該段的段地址。如果再跟蹤s_data的話，還

可以看到這個進程運行的機器指令。

關閉終端，結(jié)束該實驗。

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四、內(nèi)核監(jiān)視與動態(tài)跟蹤實驗

2查看阻塞線程的同步對象類型

Solaris操作系統(tǒng)是基于線程的兩級調(diào)度，最終被處理機調(diào)度的是內(nèi)核線程

（kthread）,在不同的調(diào)度等級上的調(diào)度策略不同，比如在分時（TS）等級上是

基于優(yōu)先級的搶占式、時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。而在系統(tǒng)內(nèi)核中，各線程之間會由于一

些同步事件而被阻塞，比如進程間通信、讀寫互斥，條件變量不滿足等，也可能

是用戶程序造成的等待。

這里用sleep.d腳本跟蹤被阻塞線程的同步對象類型。當一個內(nèi)核線程在同

步對象上休眠時，將激活該腳本里sched:::sleep探針，此時系統(tǒng)會設置Iwpsinfo

結(jié)構(gòu)的一個字段pjstype,以表示同步對象的類型，見下表：

表4-2同步對象類型

阻塞類型含義

SOBJ_MUTEX內(nèi)核互斥同步對象

SOBJ_RWLOCK讀寫鎖同步對象

SOBJ_CV條件變量同步對象

SOBJ_SEMA信號量同步對象

SOBJ_USER用戶級同步對象

SOBJ_USER_PI優(yōu)先級繼承的用戶級同步對象

SOBJ_SHUTLE互動同步對象（與Solaris門相關）

1、打開一個終端，進入/dtrace_lab/proc_thread目錄，運行sleep.d腳本:

bash-3.00#./sleep.d

2、再打開一個終端，運行，一些程序，如gedit、starsuite（類似office的辦公

軟件）。然后按Control+C結(jié)束sleep.d腳本，就可以看到如下結(jié)果（節(jié)選）：

bash-3.00#./sleep.d

AC

SOBJCV_ADDRCNT

condvard36c94961

condvard3c622f21

condvarfec7d1b41

kernelmutexd99600001

kernelsemaphored2f251181

kernelsemaphored55dfb401

kernelsemaphored5856d281

user-levellock81336C01

user-levellock876e6881

shuttle052

condvard4cd41f271

condvard5ba251673

condvard531bcf274

condvard566d472110

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四、內(nèi)核監(jiān)視與動態(tài)跟蹤實驗

CNTNAMETIDSleeping

On...

1Xorg1

libc.so.1'close+0x15

1automountd1

libc.so.1'_pollsys+0x15

1automountd4

libc.so.1'_Iwp_park+Ox19

1bash1一

Iibc.so.1'_waitid+0x15

r……]

可以看到發(fā)生阻塞得線程號、線程的地址、阻塞的同步對象類型以及被阻塞

的次數(shù)。在一個線程的生命周期內(nèi)，線程的地址可以看作是這個線程的唯一標識。

3查看線程調(diào)度中各線程時間片的剩余情況

TS等級的線程是按時間片輪轉(zhuǎn)來調(diào)度的。內(nèi)核函數(shù)ts」ick()將檢查各線程的

盛譽時間片情況。如果一個線程時間片用完，則該函數(shù)將阻塞這個線程。下面是

ts_tick()函數(shù)的定義：

staticvoid

ts_tick(kthread_t*t)；

內(nèi)核進入該函數(shù)的時候?qū)⒓せ钜粋€probe,在這個probe中我們利用當前線

程指針(即ts_tick()函數(shù)的參數(shù))得到該線程剩余的時間片(請參閱相應部分源

代碼)。

1、打開一個終端，運行ts.d腳本

bash-3.00#./ts.d

2、在另一個終端中運行一個計算質(zhì)數(shù)的程序(這個程序需要大量地占用

CPU)：

bash-3.00#./calculate

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四、內(nèi)核監(jiān)視與動態(tài)跟蹤實驗

然后可以看到腳本的輸出如下:

bash-3.00#./ts.d

EXECPIDLWPIDTICKSLEFTCNT

sched751131

sched891121

sched950141

sched11061774

sched11061784

sched5301138

sched5301148

sched5301158

sched5301168

sched5301826

sched112511326

sched112511426

sched112511526

sched112511626

sched530138

sched530138

sched1125138

sched112511038

sched112511138

sched112511238

sched5301439

sched53015

sched112516

sched112517

sched112518

sched11251161

sched11251—

26J

1

sched11251364

—

sched11251464

sched11251—

以上打印輸出的意思是進程號為PID的進程對應的內(nèi)核線程在某個時刻還

有TICKSLEFT個時間單位剩余。CNT是這種情況出現(xiàn)的次數(shù)。

4進程間通信中系統(tǒng)調(diào)用的關系及通信數(shù)據(jù)的顯示

Solaris系統(tǒng)提供的進程間通信（IPC）機制主要有共享內(nèi)存、信號量、消息

隊列以及Solaris門幾種。我們這里選擇消息隊列來進行實驗。

消息隊列是系統(tǒng)內(nèi)核地址空間中的一個內(nèi)部的鏈表。消息可以按照順序發(fā)送

到隊列中，也可以以兒種不同的方式從隊列中讀取。每一個消息隊列用一個唯一

的IPC標識符表示（消息隊列不一定是先進先出，也可以按消息的類型字段取消

息）。