操作系统实验答案.docx
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操作系统实验答案.docx
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操作系统实验答案
部分实验答案
第三部分操作系统实验指导
实验3指导
[实验内容]
1.进程的创建
〈任务〉
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“c”。
试观察记录屏幕上的显示结果,并分析原因。
〈程序〉
#include
main()
{
intp1,p2;
if(p1=fork())/*子进程创建成功*/
putchar('b');
else
{
if(p2=fork())/*子进程创建成功*/
putchar('c');
elseputchar('a');/*父进程执行*/
}
}
<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
<任务>
修改已编写好的程序,将每个程序的输出由单个字符改为一句话,再观察程序执行时屏幕上出现的现象,并分析其原因。
如果在程序中使用系统调用lockf()来给每个程序加锁,可以实现进程之间的互斥,观察并分析出现的现象。
〈程序1〉
#include
main()
{
intp1,p2,i;
if(p1=fork())
{
for(i=0;i<500;i++)
printf("parent%d\n",i);
wait(0);/*保证在子进程终止前,父进程不会终止*/
exit(0);
}
else
{
if(p2=fork())
{
for(i=0;i<500;i++)
printf("son%d\n",i);
wait(0);/*保证在子进程终止前,父进程不会终止*/
exit(0);/*向父进程信号0且该进程推出*/
}
else
{
for(i=0;i<500;i++)
printf(“grandchild%d\n",i);
exit(0);
}
}
}
〈运行结果〉
parent….
son…
grandchild…
grandchild…
或grandchild
…son
…grandchild
…son
…parent
分析:
由于函数printf()输出的字符串之间不会被中断,因此,每个字符串内部的字符顺序输出时不变。
但是,由于进程并发执行时的调度顺序和父子进程的抢占处理机问题,输出字符串的顺序和先后随着执行的不同而发生变化。
这与打印单字符的结果相同。
〈程序2〉
#include
main()
{
intp1,p2,i;
if(p1=fork())
{
lockf(1,1,0);
for(i=0;i<500;i++)
printf("parent%d\n",i);
lockf(1,0,0);
wait(0);/*保证在子进程终止前,父进程不会终止*/
exit(0);
}
else
{
if(p2=fork())
{
lockf(1,1,0);
for(i=0;i<500;i++)
printf("son%d\n",i);
lockf(1,0,0);
wait(0);/*保证在子进程终止前,父进程不会终止*/
exit(0);
}
else
{
lockf(1,1,0);
for(i=0;i<500;i++)
printf("daughter%d\n",i);
lockf(1,0,0);
exit(0);
}
}
}
<运行结果〉
输出parent块,son块,grandchild块的顺序可能不同,但是每个块的输出过程不会被打断。
分析:
因为上述程序执行时,lockf(1,1,0)锁定标准输出设备,lockf(1,0,0)解锁标准输出设备,在lockf(1,1,0)与lockf(1,0,0)中间的for循环输出不会被中断,加锁与不加锁效果不相同。
3.软中断通信
〈任务1〉
编制一段程序,使用系统调用fork()创建两个子进程,再用系统调用signal()让父进程捕捉键盘上来的中断信号(即按ctrl+c键),当捕捉到中断信号后,父进程用系统调用kill()向两个子进程发出信号,子进程捕捉到信号后,分别输出下列信息后终止:
childprocess1iskilledbyparent!
childprocess2iskilledbyparent!
父进程等待两个子进程终止后,输出以下信息后终止:
parentprocessiskilled!
<程序流程图>
〈程序〉
#include
#include
#include
voidwaiting(),stop(),alarming();
intwait_mark;
main()
{
intp1,p2;
if(p1=fork())/*创建子进程p1*/
{
if(p2=fork())/*创建子进程p2*/
{
wait_mark=1;
signal(SIGINT,stop);/*接收到^c信号,转stop*/
signal(SIGALRM,alarming);/*接受SIGALRM
waiting();
kill(p1,16);/*向p1发软中断信号16*/
kill(p2,17);/*向p2发软中断信号17*/
wait(0);/*同步*/
wait(0);
printf("parentprocessiskilled!
\n");
exit(0);
}
else
{
wait_mark=1;
signal(17,stop);
signal(SIGINT,SIG_IGN);/*忽略^c信号*/
while(wait_mark!
=0);
lockf(1,1,0);
printf("childprocess2iskilledbyparent!
\n");
lockf(1,0,0);
exit(0);
}
}
else
{
wait_mark=1;
signal(16,stop);
signal(SIGINT,SIG_IGN);/*忽略^c信号*/
while(wait_mark!
=0)
lockf(1,1,0);
printf("childprocess1iskilledbyparent!
\n");
lockf(1,0,0);
exit(0);
}
}
voidwaiting()
{
sleep(5);
if(wait_mark!
=0)
kill(getpid(),SIGALRM);
}
voidalarming()
{
wait_mark=0;
}
voidstop()
{
wait_mark=0;
}
<运行结果>
不做任何操作等待五秒钟父进程回在子进程县推出后退出,并打印退出的顺序;或者点击ctrl+C后程序退出并打印退出的顺序。
〈任务2〉
在上面的任务1中,增加语句signal(SIGINT,SIG_IGN)和语句signal(SIGQUIT,SIG_IGN),观察执行结果,并分析原因。
这里,signal(SIGINT,SIG_IGN)和signal(SIGQUIT,SIG_IGN)分别为忽略键信号以及忽略中断信号。
<程序>
#include
#include
#include
intpid1,pid2;
intEndFlag=0;
intpf1=0;
intpf2=0;
voidIntDelete()
{
kill(pid1,16);
kill(pid2,17);
}
voidInt1()
{
printf("childprocess1iskilled!
byparent\n");
exit(0);
}
voidInt2()
{
printf("childprocess2iskilled!
byparent\n");
exit(0);
}
main()
{
intexitpid;
if(pid1=fork())
{
if(pid2=fork())
{
signal(SIGINT,IntDelete);
waitpid(-1,&exitpid,0);
waitpid(-1,&exitpid,0);
printf("parentprocessiskilled\n");
exit(0);
}
else
{
signal(SIGINT,SIG_IGN);
signal(17,Int2);
pause();
}
}
else
{
signal(SIGINT,SIG_IGN);
signal(16,Int1);
pause();
}
}
〈运行结果〉
请读者将上述程序输入计算机后,执行并观察。
3.进程的管道通信
〈任务〉
编制一段程序,实现进程的管道通信。
使用系统调用pipe()建立一条管道线。
两个子进程p1和p2分别向通道个写一句话:
child1processissendingmessage!
child2processissendingmessage!
而父进程则从管道中读出来自两个进程的信息,显示在屏幕上。
〈程序〉
#include
#include
#include
intpid1,pid2;
main()
{
intfd[2];
charoutpipe[100],inpipe[100];
pipe(fd);/*创建一个管道*/
while((pid1=fork())==-1);
if(pid1==0)
{
lockf(fd[1],1,0);
sprintf(outpipe,"child1processissendingmessage!
");
/*把串放入数组outpipe中*/
write(fd[1],outpipe,50);/*向管道写长为50字节的串*/
sleep(5);/*自我阻塞5秒*/
lockf(fd[1],0,0);
exit(0);
}
else
{
while((pid2=fork())==-1);
if(pid2==0)
{
lockf(fd[1],1,0);/*互斥*/
sprintf(outpipe,"child2processissendingmessage!
");
write(fd[1],outpipe,50);
sleep(5);
lockf(fd[1],0,0);
exit(0);
}
else
{
wait(0);/*同步*/
read(fd[0],inpipe,50);/*从管道中读长为50字节的串*/
printf("%s\n",inpipe);
wait(0);
read(fd[0],inpipe,50);
printf("%s\n",inpipe);
exit(0);
}
}
}
〈运行结果〉
延迟5秒后显示:
child1processissendingmessage!
再延迟5秒:
child2processissendingmessage!
〈分析〉
请读者自行完成。
<思考>
1、程序中的sleep(5)起什么作用?
2、子进程1和2为什么也能对管道进行操作?
实验4指导
[实验内容]
1消息的创建,发送和接收
〈任务〉
使用系统调用msgget(),megsnd(),msgrev()及msgctl()编制一长度为1K的消息发送和接收的程序。
〈程序设计〉
(1)为了便于操作和观察结果,用一个程序为“引子”,先后fork()两个子进程,SERVER和CLIENT,进行通信。
(2)SERVER端建立一个Key为75的消息队列,等待其他进程发来的消息。
当遇到类型为1的消息,则作为结束信号,取消该队列,并退出SERVER。
SERVER每接收到一个消息后显示一句“(server)received”。
(3)CLIENT端使用Key为75的消息队列,先后发送类型从10到1的消息,然后退出。
最后的一个消息,既是SERVER端需要的结束信号。
CLIENT每发送一条消息后显示一句“(client)sent”。
(4)父进程在SERVER和CLIENT均退出后结束。
〈程序〉
#include
#include
#include
#include
#defineMSGKEY75/*定义关键词MEGKEY*/
structmsgform/*消息结构*/
{
longmtype;
charmtexe[100];/*文本长度*/
}msg;
intmsgqid,i;
voidCLIENT()
{
inti;
msgqid=msgget(MSGKEY,0777|IPC_CREAT);
for(i=10;i>=1;i--)
{
msg.mtype=i;
printf("(client)sent\n");
msgsnd(msgqid,&msg,1030,0);/*发送消息msg入msgid消息队列*/
}
exit(0);
}
voidSERVER()
{
msgqid=msgget(MSGKEY,0777|IPC_CREAT);/*由关键字获得消息队列*/
do
{
msgrcv(msgqid,&msg,1030,0,0);/*从队列msgid接受消息msg*/
printf("(server)receive\n");
}while(msg.mtype!
=1);/*消息类型为1时,释放队列*/
msgctl(msgqid,IPC_RMID,0);
}
main()
{
if(fork())
{
SERVER();
wait(0);
}
elseCLIENT();
}
<结果>
从理想的结果来说,应当是每当Client发送一个消息后,server接收该消息,Client再发送下一条。
也就是说“(Client)sent”和“(server)received”的字样应该在屏幕上交替出现。
实际的结果大多是,先由Client发送两条消息,然后Server接收一条消息。
此后Client
Server交替发送和接收消息.最后一次接收两条消息.Client和Server分别发送和接收了10条消息,与预期设想一致
<分析>
message的传送和控制并不保证完全同步,当一个程序不再激活状态的时候,它完全可能继续睡眠,造成上面现象,在多次sendmessage后才receivemessage.这一点有助于理解消息转送的实现机理.
2.共享存储区的创建,附接和断接
<任务>
使用系统调用shmget(),sgmat(),smgdt(),shmctl()编制一个与上述功能相同的程序.
<程序设计>
(1)为了便于操作和观察结果,用一个程序为“引子”,先后fork()两个子进程,SERVER和CLIENT,进行通信。
(2)SERVER端建立一个KEY为75的共享区,并将第一个字节置为-1.作为数据空的标志.等待其他进程发来的消息.当该字节的值发生变化时,表示收到了该消息,进行处理.然后再次把它的值设为-1.如果遇到的值为0,则视为结束信号,取消该队列,并退出SERVER.SERVER每接收到一次数据后显示”(server)received”.
(3)CLIENT端建立一个为75的共享区,当共享取得第一个字节为-1时,Server端空闲,可发送请求.CLIENT随即填入9到0.期间等待Server端再次空闲.进行完这些操作后,CLIENT退出.CLIENT每发送一次数据后显示”(client)sent”.
(4)父进程在SERVER和CLIENT均退出后结束.
<程序>
#include
#include
#include
#defineSHMKEY75/*定义共享区关键词*/
intshmid,i;
int*addr;
CLIENT()
{
inti;
shmid=shmget(SHMKEY,1024,0777|IPC_CREAT);/*获取共享区,长度1024,关键词SHMKEY*/
addr=shmat(shmid,0,0);/*共享区起始地址为addr*/
for(i=9;i>=0;i--)
{
while(*addr!
=-1);
printf("(client)sent\n");/*打印(client)sent*/
*addr=i;/*把i赋给addr*/
}
exit(0);
}
SERVER()
{
do
{
while(*addr==-1);
printf("(server)received\n%d",*addr);/*服务进程使用共享区*/
if(*addr!
=0)
*addr=-1;
}while(*addr);
wait(0);
shmctl(shmid,IPC_RMID,0);
}
main()
{
shmid=shmget(SHMKEY,1024,0777|IPC_CREAT);/*创建共享区*/
addr=shmat(shmid,0,0);/*共享区起始地址为addr*/
*addr=-1;
if(fork())
{
SERVER();
}
else
{
CLIENT();
}
}
<结果〉
运行的结果和预想的完全一样。
但在运行的过程中,发现每当client发送一次数据后,server要等大约0.1秒才有响应。
同样,之后client又需要等待大约0.1秒才发送下一个数据。
<分析〉
出现上述的应答延迟的现象是程序设计的问题。
当client端发送了数据后,并没有任何措施通知server端数据已经发出,需要由client的查询才能感知。
此时,client端并没有放弃系统的控制权,仍然占用CPU的时间片。
只有当系统进行调度时,切换到了server进程,再进行应答。
这个问题,也同样存在于server端到client的应答过程之中。
3比较两种消息通信机制中的数据传输的时间
由于两种机制实现的机理和用处都不一样,难以直接进行时间上的比较。
如果比较其性能,应更加全面的分析。
(1)消息队列的建立比共享区的设立消耗的资源少.前者只是一个软件上设定的问题,后者需要对硬件操作,实现内存的映像,当然控制起来比前者复杂.如果每次都重新进行队列或共享的建立,共享区的设立没有什么优势。
(2)当消息队列和共享区建立好后,共享区的数据传输,受到了系统硬件的支持,不耗费多余的资源;而消息传递,由软件进行控制和实现,需要消耗一定的CPU资源.从这个意义上讲,共享区更适合频繁和大量的数据传输.
(3)消息的传递,自身就带有同步的控制.当等到消息的时候,进程进入睡眠状态,不再消耗CPU资源.而共享队列如果不借助其他机制进行同步,接受数据的一方必须进行不断的查询,白白浪费了大量的CPU资源.可见消息方式的使用更加灵活.
实验5指导
[实验内容]
<任务>
设计一个虚拟存储区和内存工作区,并使用下列算法计算访问命中率.
(1)进先出的算法(FIFO)
(2)最近最少使用的算法(LRU)
(3)最佳淘汰算法(OPT)
(4)最少访问页面算法(LFU)
(5)最近最不经常使用算法(NUR)
命中率=(1-页面失效次数)/页地址流长度
<程序设计〉
本实验的程序设计基本上按照实验内容进行。
即首先用srand()和rand()函数定义和产生指令序列,然后将指令序列变换成相应的页地址流,并针对不同的算法计算出相应的命中率。
相关定义如下:
1数据结构
(1)页面类型
typedefstruct{
intpn,pfn,counter,time;
}pl-type;
其中pn为页号,pfn为面号,counter为一个周期内访问该页面的次数,time为访问时间.
(2)页面控制结构
pfc-struct{
intpn,pfn;
structpfc_struct*next;
}
typedefstructpfc_structpfc_type;
pfc_typepfc_struct[total_vp],*freepf_head,*busypf_head;
pfc_type*busypf_tail;
其中pfc[total_vp]定义用户进程虚页控制结构,
*freepf_head为空页面头的指针,
*busypf_head为忙页面头的指针,
*busypf_tail为忙页面尾的指针.
2.函数定义
(1)Voidinitialize():
初始化函数,给每个相关的页面赋值.
(2)VoidFIFO():
计算使用FIFO算法时的命中率.
(3)VoidLRU():
计算使用LRU算法时的命中率.
(4)VoidOPT():
计算使用OPT算法时的命中率.
(5)VoidLFU():
计算使用LFU算法时的命中率.
(6)VoidNUR():
计算使用NUR算法时的命中率.
3.变量定义
(1)inta[total_instruction]:
指令流数据组.
(2)intpage[total_instruction]:
每条指令所属的页号.
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