HDU操作系统课程设计实验三


这是一个比较简单、容易的实验,前提条件是对Linux的信号量、进程创建与删除、管道通信、消息队列、共享内存等进程通信方式有一定的了解。注意:实验时要用到很多信号量,每个信号量创建之前需要unlink,但只有最后执行的unlink生效,所以注意运行多个程序的时候,带unlink的程序需要提前运行,不然会导致其他程序创建的信号量失效。

一、设计目的

(1)通过对Linux进程控制的相关系统调用的编程应用,进一步加深对进程概念的理解,明确进程和程序的联系和区别,理解进程并发执行的具体含义。
(2)通过Linux管道通信机制、消息队列通信机制、共享内存通信机制的应用,加深对不同类型的进程通信方式的理解。
(3)通过对Linux的Posix信号量及IPC信号量的应用,加深对信号量同步机制的理解。
(4)请根据自身情况,进一步阅读分析相关系统调用的内核源码实现。

二、内容要求

1.实现一个模拟的shell,基本功能加find、grep命令
2.实现一个管道通信程序,基本功能加有名管道通信
3.利用Linux的消息队列通信机制实现两个线程间的通信,基本功能加多进程(线程)同步、互斥通信
4.利用Linux的共享内存通信机制实现两个进程间的通信,基本功能加双向通信

三、实验内容

信号量的使用

POSIX无名信号量:

sem_t sem; //创建信号量
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int val); //pshared为0则线程间共享,pshared为1则父子进程共享
int sem_wait(sem_t *sem); //阻塞,信号量减一
int sem_trywait(sem_t *sem); //非阻塞,信号量减一
int sem_post(sem_t *sem); //信号量加一
int sem_destroy(sem_t *sem); //删除信号量

进程间共享则sem必须放在共享内存区域(mmap, shm_open, shmget),父进程的全局变量、堆、栈中存储是不行的

POSIX有名信号量:

sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, mode_t mode, int val); //创建/打开信号量
//name:信号量的名字
//oflag:使用O_CREAT(如果信号量已经存在,则O_CREAT什么都不做函数也不出错)。如果使用O_CREAT|O_EXCL(表示如果信号量已存在,则创建失败,sem_open函数出错返回)
//mode:表示谁可以访问信号量
//value:指定信号量的初始值。取值范围是0~SEM_VALUE_MAX
int sem_wait(sem_t *sem); //阻塞,信号量减一
int sem_trywait(sem_t *sem); //非阻塞,信号量减一
int sem_post(sem_t *sem); //信号量加一
int sem_close(sem_t *sem); //关闭信号量
int sem_unlink(const char *name); //删除信号量

每个open的位置都要close和unlink,但只有最后执行的unlink生效
本文全部使用有名信号量。

1.实现一个模拟的shell,基本功能加find、grep命令

实验要求: 编写三个不同的程序cmd1.c、cmd2.c及cmd3.c,每个程序的功能自定,分别编译成可执行文件cmdl、cmd2及cmd3。然后再编写一个程序,模拟shell程序的功能:能根据用输入的字符串(表示相应的命令名),为相应的命令创建子进程并让它去执行相应的程序,而父进程则等待子进程结束,然后再等待接收下一条命令。如果接收到的命令为exit,则父进程结束,退出模拟shell如果接收到的命令是无效命令,则显示“Command not found”,继续等待输入下一条命令。此外,还要实现find、grep命令,可以通过system()函数调用find、grep功能实现。
实验思路: 直接使用现有的C语言函数来实现shell命令即可。C程序调用shell脚本共有三种办法 :system()、popen()、exec函数族。
system() :不用你自己去产生进程,它已经封装了,直接加入自己的命令。定义格式:int system(const char * string); //string为shell命令

exec函数族:使用vfork()新建子进程,然后调用exec函数族。定义格式:
int exec函数(const char *path, const char *arg, ...); path为调用shell命令程序的地址,arg为具体参数,不一样的参数类型使用不一样的exec函数。

popen() :定义格式:FILE * popen( const char * command,const char * type);通过创建一个管道,调用fork()产生一个子进程,执行一个shell以运行command命令来开启一个进程。参数type中“r”代表读取,“w”代表写入。

本文为了便于实现采用system()的方法,有同学采用exec函数族实现同样效果,但比较麻烦。
参考代码:

int main()
{
   
   
    char command[100],cmd[55],token[50];
    int status;
    pid_t pid;
    while(1)
    {
   
   
        printf("shell:");
        scanf("%[^\n]%*c",command); //读入一行(同时去掉回车)
        status = -1;
        clear_space(command,token); //去除多余的空格
        if(!strcmp(token,"cmd1") || !strcmp(token,"cmd2") || !strcmp(token,"cmd3")) //注:此处调用子程序命令与linux命令不同,直接使用程序名调用,用空的同学可以改成和linux命令一样,使用相对或者绝对路径调用。
        {
   
   
            pid = fork();
            if(pid < 0)
            {
   
   
                printf("fork error\n");
            }
            else if(pid > 0)
            {
   
   
                wait(&status); //等待子进程运行结束
            }
            else
            {
   
   
                sprintf(cmd,"./%s",token); //添加相对路径
                system(cmd); //system()调用命令
		exit(0);
            }
        }
        else if(!strcmp(token,"exit"))
        {
   
   
            printf("shell exit\n");
	    break ;
        }
        else if(!strcmp(token,"find") || !strcmp(token,"grep"))
        {
   
   
            system(command); //system()调用指令
        }
        else
        {
   
   
            printf("Command not found\n");
        }
    }

2.实现一个管道通信程序,基本功能加有名管道通信

实验要求: 由父进程创建一个管道,然后再创建三个子进程,并由这三个子进程利用管道与父进程之间进行通信:子进程发送信息,父进程等三个子进程全部发完消息后再接收信息。通信的具体内容可根据自己的需要随意设计,要求能试验阻塞型读写过程中的各种情况,测试管道的默认大小,并且要求利用Posix信号量机制实现进程间对管道的互斥访问。运行程序,观察各种情况下,进程实际读写的字节数以及进程阻塞唤醒的情况。此外,还要实现有名管道的功能。
实验思路:

**无名管道:**需要指定两个文件描述符,通过pipe()函数创建一个管道文件使其一端读文件一端写。对管道文件的读写和普通文件一样,直接用read()和write()函数。读写之前要调用close()关闭不需要的写读描述符。

int fd[2];
pipe(fd);

其中默认 fd[0]读文件,fd[1]写文件。
参考代码:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <semaphore.h>
#include <signal.h>
#include <fcntl.h>

int main()
{
   
   
    int fd[2],pipe_num;
    char buf[150];
    sem_t *Mutex;
    sem_t *send;
    sem_t *receive;
    pid_t pid;

    memset(buf,0,sizeof(buf));
    sem_unlink("Mutex");
    sem_unlink("send");
    sem_unlink("receive");

    Mutex = sem_open("Mutex",O_CREAT,0666,1);
    send = sem_open("send",O_CREAT,0666,1);
    receive = sem_open("receive",O_CREAT,0666,0);

    pipe_num = pipe(fd);
    if(pipe_num == -1)
    {
   
   
        printf("pipe create error\n");
        return 
### 杭州电子科技大学操作系统课程设计资源 #### 关于操作系统课程设计的目标与要求 操作系统课程设计旨在让学生深入理解操作系统的原理及其实际应用。学生需掌握进程管理、内存分配、文件系统以及设备驱动等方面的知识,并能够独立完成一个小规模的操作系统模块开发或优化现有系统性能的任务。 #### 可供参考的学习材料和教程链接 对于希望获取更多关于杭州电子科技大学操作系统课程设计的信息,建议访问学校官网的教学资源页面或是联系授课教师获得官方发布的指南文档。此外,在线平台上也有许多优质的开源项目案例可供学习借鉴: - **GitHub**: 许多高校会将其OS实验项目的源码托管于此处,可以找到不同版本内核实现细节; - **Stack Overflow & 优快云论坛**: 当遇到具体技术难题时可在此类社区提问交流寻求解决方案; #### 示例代码片段:简易调度器模拟 下面给出一段简单的Python程序来演示如何创建一个多道批处理环境下的轮转法(Round Robin)CPU调度仿真工具[^1]: ```python import queue class Process: def __init__(self, pid, burst_time): self.pid = pid self.burst_time = burst_time def round_robin(processes, time_slice): ready_queue = queue.Queue() for p in processes: ready_queue.put(p) while not ready_queue.empty(): current_process = ready_queue.get() if current_process.burst_time > 0 : print(f"Executing process {current_process.pid}") if current_process.burst_time >= time_slice: current_process.burst_time -= time_slice if current_process.burst_time > 0: ready_queue.put(current_process) else: remaining_time = min(time_slice,current_process.burst_time) current_process.burst_time=0 if __name__ == &#39;__main__&#39;: proc_list=[Process(1,8),Process(2,4),Process(3,9)] slice_duration=2 round_robin(proc_list,slice_duration) ``` #### 报告撰写模板结构框架 一份完整的课程设计报告通常应包含以下几个部分: - 封面页:题目名称、作者姓名学号班级等基本信息。 - 摘要摘要:简述研究背景意义目的方法结论等内容不超过一页纸长度。 - 正文主体章节划分如下: - 绪论Introduction:介绍选题缘由现状分析理论依据等前置知识铺垫工作。 - 方案设计Design Scheme:描述整体架构思路关键技术难点解决措施等具体内容阐述。 - 实验测试Experimentation and Testing:记录调试过程参数设置运行结果对比评价指标体系构建等情况说明。 - 总结Conclusion:总结研究成果不足之处未来改进方向展望等收尾性质的文字表达。 最后附上必要的参考资料列表以便读者查阅原始出处。
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