《操作系统》课程实验指导书本科.docx

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《操作系统》课程实验指导书本科

《操作系统》课程实验

指导书

课程实验任务

（一）：

请求页式存储管理

一、目的与要求

1、目的

近年来，由于大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）技术的发展，使存储器的容量不断扩大，价格大幅度下降。

但从使用角度看，存储器的容量和成本总受到一定的限制。

所以，提高存储器的效率始终是操作系统研究的重要课题之一。

虚拟存储技术是用来扩大内存容量的一种重要方法。

学生应独立地用高级语言编写几个常用的存储分配算法，并设计一个存储管理的模拟程序，对各种算法进行分析比较，评测其性能优劣，从而加深对这些算法的了解。

2、要求

为了比较真实地模拟存储管理，可预先生成一个大致符合实际情况的指令地址流。

然后模拟这样一种指令序列的执行来计算和分析各种算法的访问命中率。

二、示例

1、题目本示例是采用页式分配存储管理方案，并通过分析计算不同页面淘汰算法情况下的访问命中率来比较各种算法的优劣。

另外也考虑到改变页面大小和实际存储器容量对计算结果的影响，从而可为算则好的算法、合适的页面尺寸和实存容量提供依据。

本程序是按下述原则生成指令序列的：

（1）50%的指令是顺序执行的。

（2）25%的指令均匀散布在前地址部分。

（3）25%的指令均匀散布在后地址部分。

示例中选用最佳淘汰算法（OPT）和最近最少使用页面淘汰算法（LRU）计算页面命中率。

公式为

假定虚存容量为32K，页面尺寸从1K至8K，实存容量从4页至32页。

2、算法与框图

（1）最佳淘汰算法（OPT）。

这是一种理想的算法，可用来作为衡量其他算法优劣的依据，在实际系统中是难以实现的，因为它必须先知道指令的全部地址流。

由于本示例中已预先生成了全部的指令地址流，故可计算出最佳命中率。

该算法的准则是淘汰已满页表中不再访问或是最迟访问的的页。

这就要求将页表中的页逐个与后继指令访问的所有页比较，如后继指令不在访问该页，则把此页淘汰，不然得找出后继指令中最迟访问的页面淘汰。

可见最佳淘汰算法要花费较长的运算时间。

（2）最近最少使用页淘汰算法（LRU）。

这是一种经常使用的方法，有各种不同的实施方案，这里采用的是不断调整页表链的方法，即总是淘汰页表链链首的页，而把新访问的页插入链尾。

如果当前调用页已在页表内，则把它再次调整到链尾。

这样就能保证最近使用的页，总是处于靠近链尾部分，而不常使用的页就移到链首，逐个被淘汰，在页表较大时，调整页表链的代价也是不小的。

（3）程序框图如下图2所示。

图2计算页面命中率框图

3、程序运行结果格式

（1）程序运行结果格式

THEVIRTUALADDRESSSTREAMASFOLLOWS:

a[0]=16895a[1]=16896a[2]=16897a[3]=16302

a[4]=25403a[5]=13941a[6]=13942a[7]=8767

……

……

……

A[252]=23583a[253]=20265a[254]=20266a[255]=20267

==========================================

Thealgorithmis:

opt

PAGENUMBERWITHSIZE1kFOREACHADDRESSIS:

pageno[0]=17pageno[1]=17pageno[2]=17pageno[3]=16

pageno[4]=25pageno[5]=14pageno[6]=14pageno[7]=9

……

……

……

pageno[252]=24pageno[253]=20pageno[254]=20pageno[255]=20

vmsize=32kpagesize=1k

---------------------------

pageassignedpages_in/totalreferences

47.031250000000000E-1

67.578125000000000E-1

88.085937500000000E-1

108.554687500000000E-1

128.945312500000000E-1

149.140625000000000E-1

169.140625000000000E-1

189.140625000000000E-1

209.140625000000000E-1

229.140625000000000E-1

249.140625000000000E-1

269.140625000000000E-1

289.140625000000000E-1

309.140625000000000E-1

329.140625000000000E-1

PAGENUMBERWITHSIZE2kEACHADDRESSIS:

……

……

……

PAGENUMBERWITHSIZE4kEACHADDRESSIS:

……

……

……

PAGENUMBERWITHSIZE8kEACHADDRESSIS:

……

……

……

Endtheresultforopt

************************************************

thealgorithmislru

……

……

……同上

Endtheresultforlru

*********************************************

（2）示例中使用的有关数据结构、常量和变量说明如下：

length被调试的指令地址流长度，可作为一个常量设定。

called当前请求的页面号。

pagefault页面失效标志，如当前请求页called已在页表内，则置pagefault=false，否则为true。

table页表。

table[i]=j,表示虚存的第j页在实存的第i页中。

used当前被占用的实存页面数，可用来判断当前实存中是否有空闲页。

（3）本程序启动后，屏幕上显示“thealgorithmis：

”，用户可选择最佳淘汰算法（打入“OPT”）或者最近最少使用淘汰算法（打入“LRU”）计算页面命中率。

当然还可以加入各种其他的算法。

4、小结

（1）编制评测各种算法性能的模拟程序是研制系统程序，尤其是操作系统所必须的。

模拟的环境愈是真实，其结果愈是可靠，也就更有利于选择合适的方案。

本实习虽属简单，但可作为一个尝试。

（2）注意正整数的范围只能从0……32767，限制程序中的虚存尺寸为32K，实际如采用更大的虚存实存，更能说明问题。

三、实习题

（1）编制和调试示例给出的请求页式存储管理程序，并使其投入运行。

（2）增加1～2种已学过的淘汰算法，计算它们的页面访问命中率。

试用各种算法的命中率加以比较分析。

提示：

可选用FIFO方法，即先访问的页先淘汰，也可选用LRU方法中的其他方案。

如在页表中设置标志位，按标志位值得变化来淘汰。

也可用LFU方法，为页表中各页面设置访问计数器，淘汰访问频率最低的页（注意：

当前访问的页不能淘汰）等等。

四、思考题

（1）设计一个界地址存储管理的模拟系统，模拟界地址方式下存储区的分配和回收过程。

提示：

必须设置一个内存分配表，按照分配表中有关信息实施存储区的分配，并不断根据存储区的分配和回收修改该表。

算法有首次匹配法，循环首次匹配法和最佳匹配法等。

可用各种方法的比较来充实实习内容。

可使用碎片收集和复盖等技术。

（2）自行设计或选用一种较为完善的内存管理方法，并加以实现。

提示：

设计一个段页式管理的模拟程序或通过一个实际系统的消化和分析，编制一个程序来模拟该系统。

课程实验任务

（二）：

文件操作与管理

一、目的与要求

1、目的

随着社会信息量的极大增长，要求计算机处理的信息与日俱增，涉及到社会生活的各个方面。

因此，文件管理是操作系统的一个极为重要的组成部分。

学生应独立地用高级语言编写和调试一个简单的文件系统，模拟文件管理的工作过程。

从而对各种文件操作命令的实质内容和执行过程有比较深入的了解，掌握它们的实施方法，加深理解课堂上讲授过的知识。

2、要求

（1）实际一个n个用户的文件系统，每个用户最多可保存m个文件。

（2）限制用户在一次运行中只能打开l个文件。

（3）系统应能检查打入命令的正确性，出错要能显示出错原因。

（4）对文件必须设置保护措施，如只能执行，允许读、允许写等。

在每次打开文件时，根据本次打开的要求，再次设置保护级别，即可有二级保护。

（5）对文件的操作至少应有下述几条命令：

creat建立文件。

delete删除文件。

open打开文件。

close关闭文件。

read读文件。

write写文件。

二、示例

1.题目

（1）本实习设计一个10个用户的文件系统，每个用户最多可保存10个文件，一次运行中用户可打开5个文件。

（2）程序采用二级文件目录，即设置了主文件目录（MFD）和用户文件目录（UFD）。

前者应包含文件主（即用户）及他们的目录区指针；后者应给出每个文件主占有的文件目录，即文件名，保护码，文件长度以及他们存放的位置等。

另外为打开文件设置了运行文件目录（AFD），在文件打开时应填入打开文件号，本次打开保护码和读写指针等。

（3）为了便于实现，对文件的读写作了简化，在执行读写命令时，只修改读写指针，并不进行实际文件的读写操作。

2.算法与框图

（1）因系统小，文件目录的检索使用了简单的线性搜索，而没有采用Hash等有效算法。

（2）文件保护简单实用了三位保护码，对应于允许读、允许写和运行执行，如下所示：

111

允许写允许读允许执行

如对应位为0，则不允许。

（3）程序中使用的主要数据结构如下：

①主文件目录和用户文件目录

打开文件目录

（4）程序框图如图3所示。

图3文件系统框图

3.程序运行结果格式

（1）程序运行结果格式

RUN

YOURNAME?

YOUIJIN

YOURNAMEISNOTNTHEUSERNAMETABLE,TRYAGAIN.

YOURNAME?

YOUJIN

YOURFILEDIRECTORY

FILENAMEPROTECTIONCODELENGTH

XUMAIN1119999

F11110

YOUJINYU111100

******0000

******0000

******0000

******0000

******0000

******0000

COMMANDNAME?

CREATER

COMMANDNAMEGIVENISWRONG!

ITSHOULDBEONEOFFOLLOWING:

CREATE,DELETE,OPEN,CLOSE,READ,WRITE,BYE.TRYAGAIN

COMMANDNAME?

CREATE

THENEWFILESNAME（LESSTHAN9CHARS）?

F2

THENEWFILE’SPROTECTIONCODE?

101

THENEWFILEISCREATED.

ENTERTHEOPENMODE?

101

THISFILEISOPENED,ITSOPENNUMBERIS1

COMMANDNAME?

READ

OPENFILENUMBER?

ERRORMESSAGE:

ITISNOTALLOWEDTOREADTHISFILE!

!

!

COMMANDNAME?

WRITE

OPENFILENUMBER?

1

HOWMANYCHARACTERSTOBEWRITTENINTOTHATFILE?

190

COMMANDNAME?

OPEN

FILENAMETOBEOPENED?

F1

ENTERTHEOPENMODE?

111

THISFILEISOPENED,ITSOPENNUMBERIS2

COMMANDNAME?

WRITE

OPENFILENUMBER?

2

……

……

……

COMMANDNAME?

CLOSE

THEOPENEDFILENUMBERTOBECLOSED?

2

THISFILEISCLOSED.

COMMANDNAME?

BYE

NOWYOURFILEDIRECTORYISFOLLOWING:

XUMAN1119999

F11111900

YOUJINYU111100

F2101190

*****0000

*****0000

*****0000

*****0000

GOODBXE.

（2）本程序用交互方式工作。

启动程序后，系统查询：

YOURNAME?

打入用户名，且已登入主目录时，系统就响应。

注意，本程序中前一个编入登录用户名的程序，用户需实现在主目录中登入用户名。

系统响应后会给出用户文件目录，然后显示：

COMMANDNAME?

打入相应命令后就可建立、删除、读、写、打开和关闭文件，如命令打错，系统会指出并给用户提示。

操作完成后应关闭文件，然后打入“BYE”命令退出文件系统。

退出前系统再次打印当前文件目录。

4.小结

文件系统的管理有各种各样的方案和算法。

由于实习时间和条件的限制，本示例只是简单的模拟了文件的几种操作命令，学生可从各种管理程序和数据库管理的实习中进一步深入探讨。

三、实习题

（1）编制和调试示例给出的文件操作与管理程序，并使其投入运行。

（2）增加2～3个文件操作命令，并加以实现。

提示：

可以增加移动读写指针命令，如把指针移至某一起始位置或文件头；改变文件属性的命令，如更改文件名，改变文件保护级别等。

四、思考题

（1）编制一个通过屏幕选择命令的文件管理系统，每幅屏幕要为用户提供足够的选择信息，不需要打入冗长的命令。

提示：

为了便于用户操作，微机大多采用按照屏幕的提示选择命令，这里可以使用高级语言编制通过屏幕显示选择文件操作命令的文件管理模拟程序。

（2）设计一个树形目录结构的文件系统，其根目录为root，各分支可以是目录，也可以是文件，最后的叶子都是文件。

提示：

可以参考UNIX操作系统的文件结构和管理方法。

可采用多级保护，即把用户分成文件主，伙伴和普通用户三类，分别给予使用权。

为了缩短搜索文件的路径，可设置工作目录（或值班目录），使能在当前使用的目录下查找文件，不必每次都从根目录开始查找。

（3）根据学校的各级机构，编制一个文件系统，要求上级机构能查阅和修改下级机构的文件，而下级机构只有在授权情况下才能查阅上级的文件，但不能修改，同一级的文件可以共享。

提示：

学校机构可由如下图4组成。

图4学校机构图