操作系统实验一Linux基本环境及进程管理

实验一 Linux基本环境

一、实验目的

（1）熟悉Linux下的基本操作，学会使用各种Shell命令去操作Linux，对Linux有一个感性认识。

（2）学会使用vi编辑器编辑简单的C语言程序，并能对其编译和调试。

二、实验学时

1学时

三、实验内容

（1） 以root用户身份登陆，并使用“ls”,“cat”“cd”等命令来实现基本的文件操作并观察Linux文件系统的特点；

（2） 使用vi编辑器编写一C程序，并用gcc命令进行编译和链接，并用a.out来进行输出结果。

四、背景知识

常用命令练习：

用root账号（超级用户）注册，注册成功出现#号（超级用户系统提示符,普通用户的系统提示符为$）。

1． 注销（退出）系统：logout 或exit

2．练习使用命令ls（注意Linux命令区分大小写。） 使用ls 按字母顺序列出当前目录中所有非隐藏文件；

使用ls –a按字母顺序列出当前目录中所有文件，包括隐藏文件

使用ls –l 查看当前目录所有文件包括当前目录和父目录，包括长度、拥有者和权限； 使用dir 查看当前目录内容 3．使用cd改变当前目录 cd .. 回到上层目录；

cd /home/mj 移动到用户mj的主目录；

cd – 移动到自己的主目录，适用于任何用户 4．pwd 显示当前目录绝对路径 5．建立目录mkdir

mkdir 目录名； mkdir /home/s2001/newdir 6．删除目录：rmdir； 7．复制文件cp：

cp file1 file2 将file1内容复制到目标文件file2中，目标文件得到新的生成日期和inode编号；（在linux里每个文件都有一个唯一的inode号） 8．移动文件或目录: mv

mv file1 file2 将文件名从file1变成file2。 9．删除文件rm

rm file1 删除file1而不提示确认；

rm –i file1 提示用户确认之后删除file1 10. 显示文件内容：more (分页显示);

11. 显示文件：cat 文件名

12. 建立文件：cat >文件名，ctrl+d结束输入

使用编辑器vi 编辑文件

1. 进入linux的文本模式之后，在命令行键入vi filename.c 然后回车。下面作一些简单的解释：首先vi命令是打开vi编辑器。后面的filename.c是用户即将编辑的c文件名字，注意扩展名字是.c；当然，vi编辑器功能很强，可以用它来编辑其它格式的文件，比如汇编文件，其扩展名字是.s；也可以直接用vi打开一个新的未命名的文件，当保存的时候再给它命名，只是这样做不很方便。

2. 最基本的命令I ：当进入刚打开的文件时，不能写入信息，这时按一下键盘上的I键（insert），插入的意思，就可以进入编辑模式了。 3. a与i是相同的用法

4. 当文件编辑完后，需要保存退出，这时需要经过以下几个步骤：1）按一下键盘上的Esc 键；2）键入冒号(：)，紧跟在冒号后面是wq（意思是保存并退出）。如果不想保存退出，则在第二步键入冒号之后，键入q ！（不带w，机尾部保存）

5. 退出vi编辑器的编辑模式之后，要对刚才编写的程序进行编译。 编译的命令是：gcc [-o outputfilename.out] filename.c，其中gcc是c的编译器。参数：filename.c 是要编译的源文件的名称，outputfilename表示输出文件名称，中括号表示括号内部的内容可输入也可以不输入（中括号本身不再命令行中出现）。如果不输入outputfilename.out，默认的输出文件是a.out 。

6. 最后一步是运行程序，方法如下：./outputfilename.out

实验二 进程管理

一、实验目的

1. 加深对进程概念的理解，明确进程和程序的区别。 2. 进一步认识并发执行的实质。

3. 分析进程争用资源的现象，学习解决进程互斥的方法 4. 了解Linux系统中进程通信的基本原理

二、实验学时

3学时

三、实验内容

1.进程的创建

编写一段程序，使用系统调用fork（）创建两个子进程。当此程序运行时，在系统中有一个父进程和两个子进程活动。让每一个进程在屏幕上显示一个字符：父进程显示字符“a”；子进程分别显示字符“b”和字符“c”。试观察记录屏幕上的显示结果，并分析原因。

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实验指导：

<背景知识> 一、进程

UNIX中，进程既是一个独立拥有资源的基本单位，又是一个独立调度的基本单位。一个进程实体由若干个区（段）组成，包括程序区、数据区、栈区、共享存储区等。每个区又分为若干页，每个进程配置有唯一的进程控制块PCB，用于控制和管理进程。 PCB的数据结构如下：

1、进程表项（Process Table Entry）。包括一些最常用的核心数据：

进程标识符PID、用户标识符UID、进程状态、事件描述符、进程和U区在内存或外存的地址、软中断信号、计时域、进程的大小、偏置值nice、指向就绪队列中下一个PCB的指针P_Link、指向U区进程正文、数据及栈在内存区域的指针。 2、U区（U Area）。用于存放进程表项的一些扩充信息。

每一个进程都有一个私用的U区，其中含有：进程表项指针、真正用户标识符u-ruid(read user ID)、有效用户标识符u-euid(effective user ID)、用户文件描述符表、计时器、内部I/O参数、限制字段、差错字段、返回值、信号处理数组。

由于UNIX系统采用段页式存储管理，为了把段的起始虚地址变换为段在系统中的物理地址，便于实现区的共享，所以还有：

3、系统区表项。以存放各个段在物理存储器中的位置等信息。

系统把一个进程的虚地址空间划分为若干个连续的逻辑区，有正文区、数据区、栈区等。这些区是可被共享和保护的独立实体，多个进程可共享一个区。为了对区进行管理，核心中设置一个系统区表，各表项中记录了以下有关描述活动区的信息：

区的类型和大小、区的状态、区在物理存储器中的位置、引用计数、指向文件索引结点的指针。

4、进程区表

系统为每个进程配置了一张进程区表。表中，每一项记录一个区的起始虚地址及指向系统区表中对应的区表项。核心通过查找进程区表和系统区表，便可将区的逻辑地址变换为物理地址。

二、进程映像 UNIX系统中，进程是进程映像的执行过程，也就是正在执行的进程实体。它由三部分组成： 1、用户级上、下文。主要成分是用户程序；

2、寄存器上、下文。由CPU中的一些寄存器的内容组成，如PC，PSW，SP及通用寄存器等；

3、系统级上、下文。包括OS为管理进程所用的信息，有静态和动态之分。 三、所涉及的系统调用 fork( )

创建一个新进程。 系统调用格式： pid=fork( ) 参数定义： int fork( )

fork( )返回值意义如下：

0：在子进程中，pid变量保存的fork( )返回值为0，表示当前进程是子进程。

>0：在父进程中，pid变量保存的fork( )返回值为子进程的id值（进程唯一标识符）。 -1：创建失败。

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如果fork( )调用成功，它向父进程返回子进程的PID，并向子进程返回0，即fork( )被调用了一次，但返回了两次。此时OS在内存中建立一个新进程，所建的新进程是调用fork( )父进程（parent process）的副本，称为子进程（child process）。子进程继承了父进程的许多特性，并具有与父进程完全相同的用户级上下文。父进程与子进程并发执行。 核心为fork( )完成以下操作：

（1）为新进程分配一进程表项和进程标识符

进入fork( )后，核心检查系统是否有足够的资源来建立一个新进程。若资源不足，则fork( )系统调用失败；否则，核心为新进程分配一进程表项和唯一的进程标识符。 （2）检查同时运行的进程数目

超过预先规定的最大数目时，fork( )系统调用失败。 （3）拷贝进程表项中的数据

将父进程的当前目录和所有已打开的数据拷贝到子进程表项中，并置进程的状态为“创建”状态。

（4）子进程继承父进程的所有文件

对父进程当前目录和所有已打开的文件表项中的引用计数加1。 （5）为子进程创建进程上、下文

进程创建结束，设子进程状态为“内存中就绪”并返回子进程的标识符。 （6）子进程执行

虽然父进程与子进程程序完全相同，但每个进程都有自己的程序计数器PC(注意子进程的PC开始位置)，然后根据pid变量保存的fork( )返回值的不同，执行了不同的分支语句。 四、参考程序 #include main( ) {

int p1,p2;

while((p1=fork( ))= = -1); /*创建子进程p1*/ if (p1= =0) putchar('b'); else {

while((p2=fork( ))= = -1); /*创建子进程p2*/ if(p2= =0) putchar('c'); else putchar('a'); } }

<运行结果>bca(有时会出现abc的任意的排列)

分析：从进程执行并发来看，输出abc的排列都是有可能的。

原因：fork()创建进程所需的时间虽然可能多于输出一个字符的时间，但各个进程的时间片的获得却不是一定是顺序的，所以输出abc的排列都是有可能的。

2.进程的控制

修改已编写的程序，将每个进程输出一个字符改为每个进程输出一句话，再观察程序执行时屏幕上出现的现象，并分析原因。

如果在程序中使用系统调用lockf（）来给每一个进程加锁，可以实现进程之间

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的互斥，观察并分析出现的现象。

实验指导：

一、所涉及的系统调用 lockf()

lockf(files,function,size):

用作锁定文件的某些段或者整个文件，本函数适用的头文件为： #include 参数定义：

int lockf(files,function,size) int files,function; long size;

其中：files是文件描述符：function是锁定和解锁；1表示锁定，0表示解锁。size是锁定和解锁的字节数，若用0，表示从文件的当前位置到文件尾。

二、参考程序

〈程序1〉

#include main( ) {

int p1,p2,i;

while((p1=fork( ))= = -1); /*创建子进程p1*/ if (p1= =0)

for(i=0;i<100;i++)

printf(\else {

while((p2=fork( ))= = -1); /*创建子进程p2*/ if(p2= =0)

for(i=0;i<100;i++)

printf(\else

for(i=0;i<100;i++)

printf(\} }

〈运行结果〉 2、parent… son… daughter.. daughter.. 或 parent… son… parent…

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