湖南科技大学12级操作系统课程设计报告

操作系统课程设计报告

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目录

实验一WINDOWS进程初识 (3)

1、实验目的 (3)

2、实验原理 (3)

3、流程图 (3)

4、实验内容和步骤 (4)

5、实验结论 (5)

实验二进程管理 (5)

1、背景知识 (5)

2、实验目的 (5)

3、实验原理 (6)

4、流程图 (6)

5、实验内容和步骤 (7)

6、实验结论 (10)

实验三进程同步的经典算法 (10)

1、实验目的 (10)

2、实验原理 (10)

3、流程图 (11)

4、实验内容和步骤 (11)

实验五熟悉UNIX/LINUX系统 (14)

1、实验内容 (14)

2、实验原理 (14)

3、实验目的 (15)

4、实验题目 (15)

5、实验结论 (18)

实验六进程间通信 (18)

1、实验内容 (18)

2、实验目的 (18)

3、实验原理 (18)

4、流程图 (18)

5、实验题目 (20)

实验一WINDOWS进程初识

1、实验目的

（1）学会使用VC 编写基本的Win32 Consol Application（控制台应用程序)。（2）掌握WINDOWS API 的使用方法。

（3）编写测试程序，理解用户态运行和核心态运行。

2、实验原理

(1) 一个简单的Windows控制台应用程序：编写一个简单的C++程序，调用cout 函数输出”Hello,Win32 Consol Application”；

(2) 核心态运行和用户态运行时间比计算：给一个当前正在运行进程名，调用CreateToolhelp32Snapshot函数对操作系统中运行的所有进程拍取“快照”，循环枚举快照中的所有进程，并与给出的进程名进行比较，若是相同，则打开进程，调用GetProcessTimes()函数计算当前进程的时间，并调用GetKernelModePercentage()函数计算内核模式下消耗时间比，并将结果显示到屏幕上。若是一直不到给出的进程，说明给出的进程没有在运行。

3、流程图

（1）略

（2）如下图：

4、实验内容和步骤

（1）编写基本的 Win32 Consol Application

步骤 1：登录进入 Windows 系统，启动 VC++ 6.0。

步骤 2：在“FILE”菜单中单击“NEW”子菜单，在“projects”选项卡中选择“Win32 Consol Application”,然后在“Project name”处输入工程名，在“Location”处输入工程目录。创建一个新的控制台应用程序工程。

步骤 3：在“FILE”菜单中单击“NEW”子菜单，在“Files”选项卡中选择“C++ Source File”, 然后在“File”处输入 C/C++源程序的文件名。

步骤 4：将清单 1-1 所示的程序清单复制到新创建的 C/C++源程序中。编译成可执行文件。

步骤 5：在“开始”菜单中单击“程序”-“附件”-“命令提示符”命令，进入Windows“命令提示符”窗口，然后进入工程目录中的 debug 子目录，执行编译好的可执行程序，列出运行结果 (如果运行不成功，则可能的原因是什么？)

运行结果

结论：如果运行不成功，绝对是代码错了

（2）计算进程在核心态运行和用户态运行的时间

步骤 1：按照（1）中的步骤创建一个新的“Win32 Consol Application”工程，然后将清单 1-2 中的程序拷贝过来，编译成可执行文件。

运行结果

步骤 2：在创建一个新的“Win32 Consol Application”工程，程序的参考程序如清单 1-3 所示，编译成可执行文件并执行。

步骤 3：在“命令提示符”窗口中运行步骤 1 中生成的可执行文件，测试步骤2 中可执行文件在核心态运行和用户态运行的时间。

运行结果

步骤 4：列出运行结果 (如果运行不成功，则可能的原因是什么？) 原因：可执行文件没有运行。

步骤 5：分别屏蔽 While 循环中的两个 for 循环（i 循环和 j 循环），或调整两个 for 循环的次数，写出运行结果。

注释i循环和j循环

5、实验结论

计算进程在计算核心态运行和用户态运行的时间时，被计算的进程必须是当前正在运行的进程，没有运行的进程是不能被计算的。

另外，通过实验可以得知运行一个程序CPU的使用情况是不同的，同时与循环的次数无关，和当前计算的复杂情况有关。实验得出的数据可以可以说明这一点。

实验二进程管理

1、背景知识

Windows 所创建的每个进程都从调用 CreateProcess() API 函数开始，该函数的任务是在对象管理器子系统内初始化进程对象。每一进程都以调用ExitProcess() 或TerminateProcess() API函数终止。通常应用程序的框架负责调用 ExitProcess() 函数。对于 C++ 运行库来说，这一调用发生在应用程序的 main() 函数返回之后。

2、实验目的

1)通过创建进程、观察正在运行的进程和终止进程的程序设计和调试操作，进一步熟悉操作系统的进程概念，理解 Windows 进程的“一生”。

2)通过阅读和分析实验程序，学习创建进程、观察进程、终止进程以及父子进

程同步的基本程序设计方法。

3、实验原理

1） CreateProcess() 调用的核心参数是可执行文件运行时的文件名及其命令行，主函数通过调用CreateProcess（）并给出重要的可执行文件名、命令行参数即可实现进程的创建。

2）通过控制命令行参数的值控制进程的创建数量。

4、流程图

1）创建进程

开始

进程初始化为0

读入命令行参数

输出进程ID号

是

进程是否达上限

否

生成新进程的命令行参数

创建进程

关闭新进程句柄

结束

2）父子进程的简单通信及终止进程

5、实验内容和步骤

（1）. 创建进程 本实验显示了创建子进程的基本框架。该程序只是再一次地启动自身，显示它的系统进程 ID 和它在进程列表中的位置。

步骤 1：创建一个“Win32 Consol Application ”工程，然后拷贝清单 2-1 中的程序，编译成 可执行文件。

步骤 2：在“命令提示符”窗口运行步骤 1 中生成的可执行文件，列出运行结果。按下 ctrl+alt+del ，调用 windows 的任务管理器，记录进程相关的行为属性。

开始 判断父子进程

创建互斥体 克隆子进程 等待键盘输入 结束子进程 结束 打开互斥体 等待父进程的结束命令 结束

父

子

运行结果

步骤 3：在“命令提示符”窗口加入参数重新运行生成的可执行文件，列出运行结果。按下 ctrl+alt+del，调用 windows 的任务管理器，记录进程相关的行为属性。

步骤 4：修改清单 2-1 中的程序，将 nClone 的定义和初始化方法按程序注释中的修改方法进行修改，编译成可执行文件（执行前请先保存已经完成的工作）。再按步骤2中的方式运行，看看结果会有什么不一样，列出运行结果。并回答一下问题：

从中你可以得出什么结论？说明 nClone 的作用，变量的定义和初始化方法（位置）对程序的执行结果有影响吗？为什么？

结论：nClone的赋值位置不同对程序的运行结果会有影响！父程序控制nClone控制调用子程序的深度.nClone变量的定义和初始化方法（位置）对程序的执行结果有影响！注释1的修改方式对程序影响不大，注释2的修改方式对程序结果影响巨大！

（2）. 父子进程的简单通信及终止进程

步骤 1：创建一个“Win32 Consol Application”工程，然后拷贝清单 2-2 中的程序，编译成可执行文件。

步骤 2：在VC的工具栏单击“Execute Program”(执行程序) 按钮，或者按Ctrl + F5 键，或者在“命令提示符”窗口运行步骤 1 中生成的可执行文件，列出运行结果。

运行结果

步骤 3：按源程序中注释中的提示，修改源程序 2-2，编译执行（执行前请先保存已经完成的工作），列出运行结果。在程序中加入跟踪语句，或调试运行程序，同时参考 MSDN 中的帮助文件CreateProcess()的使用方法，理解父子进程如何传递参数。给出程序执行过程的大概描述。

运行结果

CreateProcess()函数：第一个参数是可执行文件，第二个参数是命令行参数

父程序调用StartClone函数，StartClone函数中通过GetModuleFileName函数获取父程序的文件路径放在CreateProcess()函数的第一个参数中，然后再调用CreateProcess()函数创建子进程！

步骤 4：按源程序中注释中的提示，修改源程序 2-2，编译执行，列出运行结果。

运行结果

步骤5：参考MSDN 中的帮助文件CreateMutex() 、OpenMutex() 、ReleaseMutex() 和WaitForSingleObject()的使用方法，理解父子进程如何利用互斥体进行同步的。给出父子进程同步过程的一个大概描述。

CreateMutex()参数含义：缺省的安全性，最初拥有的，互斥体名称. OpenMutex()参数含义:SYNCHRONIZE 允许互斥体对象同步使用,希望子进程能够继承句柄，则为TRUE,要打开对象的名字.

ReleaseMutex()参数含义：一个互斥体的句柄.

WaitForSingleObject()参数含义：对象句柄，定时时间间隔.

6、实验结论

创建进程，实现对进程的简单控制。创建互斥体，解决了进程的同步问题，两者相互使用，使进程的运行情况得到了很好的管理。

实验三进程同步的经典算法

1、实验目的

1)回顾系统进程、线程的有关概念，加深对 Windows 2000/xp 线程的理解。

2)了解互斥体对象，通过对生产者消费者等进程间同步与互斥经典算法的实现，加深对 P(即 semWait)、V(即 semSignal)原语以及利用 P、V 原语进行进程间同步与互斥操作的理解。

2、实验原理

互斥体：实现了“互相排斥”（mutual exclusion）同步的简单形式（所以名为互斥体(mutex)）。互斥体禁止多个线程同时进入受保护的代码“临界区”（critical section）。

信号量(Semaphore)，有时被称为信号灯，是在多线程环境下使用的一种设施，是可以用来保证两个或多个关键代码段不被并发调用。在进入一个关键代码段之前，线程必须获取一个信号量；一旦该关键代码段完成了，那么该线程必须释放信号量。其它想进入该关键代码段的线程必须等待直到第一个线程释放信号量。为了完成这个过程，需要创建一个信号量VI，然后将Acquire Semaphore VI以及Release Semaphore VI分别放置在每个关键代码段的首末端。确认这些信号量VI引用的是初始创建的信号量。

3、流程图

4、实验内容和步骤

（1） 生产者消费者问题

开始

创建互斥体

创建表示产品已空的信号量

创建表示产品已满的信号量

创建若干个生产者线程

创建若干个消费者线程

等待键盘输入结束命令

结束

开始

判断线程是否结束

P(empty)

P(mutex)

生产

将产品入队

V(mutex

V(full) 结束

否

是

开始

判断线程是否结束

P(empty)

P(mutex)

找到生产者

消费

V(full)

V(empty)

结束

是

否

主线程

消费者线程

生产者线程

步骤 1：创建一个“Win32 Consol Application”工程，然后拷贝清单 1-1 中的程序，编译成可执行文件。

步骤 2：在“命令提示符”窗口运行步骤 1 中生成的可执行文件，列出运行结果。

运行结果

步骤 3：仔细阅读源程序，找出创建线程的 WINDOWS API 函数，回答下列问题：线程的第一个执行函数是什么（从哪里开始执行）？它位于创建线程的API函数的第几个参数中？

Producer函数，位于创建线程的API函数的第六个参数。

步骤 4：修改清单 1-1 中的程序，调整生产者线程和消费者线程的个数，使得消费者数目大与生产者，看看结果有何不同。察看运行结果，从中你可以得出什么结论？

当生产者个数多于消费者个数时，生产速度快，生产者经常等待消费者；反之，消费者经常等待。

步骤5：修改清单1-1 中的程序，按程序注释中的说明修改信号量EmptySemaphore 的初始化方法，看看结果有何不同。

运行结果：没有输出结果

结论：CreateSemaphore()函数中第二个参数表示剩余空间的大小，如果初值赋为0，则表示没有空间能放下生产者生产的产品。

步骤 6：根据步骤 4 的结果，并查看 MSDN，回答下列问题：

1）CreateMutex 中有几个参数，各代表什么含义。

答：3个参数。

函数作用：创建互斥体

函数原型：

HANDLE WINAPI CreateMutex(

LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes, //指针，表示这个互斥体的安全属性。这个参数可以为NULL，表示取缺省安全属性。如果这个参数取NULL，那么该句柄不可被继承。

BOOL bInitialOwner,//如果这个参数为TRUE并且成功创建了这个互斥体，那么这个线程就拥有了这个互斥体对象的初始的所有权。如果这个参数为FALSE，那么并没有拥有互斥体对象的所有权。

LPCTSTR lpName // 指定这个互斥体的名字，区分大小写。这个名字在操作系统中必须是唯一的，否则互斥体会创建失败。这个参数可以为NULL，若为NULL，则创建无名互斥体，也就意味着无法被OpenMutex

);

2）CreateSemaphore中有几个参数，各代表什么含义，信号量的初值在第几个参数中。

答：4个参数。

函数作用：创建或打开信号量对象。

函数原型：

HANDLE WINAPI CreateSemaphore(

LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes, //一个指向SECURITY_ATTRIBUTES结构体变量的指针，表示信号量的安全属性。如果这个参数为NULL，那么这个信号量使用缺省安全属性。

LONG lInitialCount, //信号量对象的初始计数。这个数字必须大于或等于零，并且小于或等于lMaximumCount。当计数大于零时，这个信号量处于有信号状态；当计数等于零时，这个信号量处于无信号状态。当调用

WaitForSingleObject或WaitForMultipleObjects的时候，计数减一。调用

ReleaseSemaphore的时候，计数增加指定值。

LONG lMaximumCount,//信号量对象的计数最大值。这个值必须大于零。

LPCTSTR lpName //信号量对象的名字，区分大小写，长度不能超过MAX_PATH个字符。如果这个参数为NULL，则创建无名信号量。

);

3）程序中 P、V 原语所对应的实际 Windows API 函数是什么，写出这几条语句。P：WaitForSingleObject(EmptySemaphore, INFINITE);

WaitForSingleObject(Mutex, INFINITE);

WaitForSingleObject(FullSemaphore, INFINITE);

V：ReleaseMutex(Mutex);

ReleaseSemaphore(FullSemaphore, 1, NULL);

ReleaseSemaphore(EmptySemaphore, 1, NULL);

4）CreateMutex 能用 CreateSemaphore 替代吗？尝试修改程序 1-1，将信号量Mutex 完全用CreateSemaphore 及相关函数实现。写出要修改的语句。CreateMutex 能用 CreateSemaphore 替代。

Mutex定义：Mutex = CreateSemaphore(NULL, 1, 1, NULL);

P：WaitForSingleObject(Mutex, INFINITE);

V：ReleaseSemaphore(Mutex, 1, NULL);

5、实验结论

通过对生产者、消费者问题的处理，加深理解了进程是可并发执行的程序在某个数据集合上的一次计算活动，也是操作系统进行资源分配和保护的基本单位。线程是继进程之后引进的，为了减少程序并发执行的时空开销，使得并发粒度更细，并发性更好。生产者、消费者不但解决进程间同步，还解决了进程的互斥，其算法思想很经典，对P，V原语的理解有很大的帮助。

实验五熟悉UNIX/LINUX系统

1、实验内容

熟悉 UNIX 或 LINUX 操作系统，在 UNIX 或 LINUX 中使用 C 语言进行文本处理。

2、实验原理

1）词频统计：利用C++中STL库里的map函数，然后将文件中的单词分离出来，存入map中，然后输出。

2）反向打印：链表

3、实验目的

UNIX（包括 LINUX）操作系统是一个通用的多用户分时操作系统，现已成为高档微机、工作站及若干小型机系统上的主要操作系统，并在许多领域中获得了广泛的应用。UNIX 系统具有简单、高效、易懂等特点，同时具有良好的可移植性，它代表着多用户操作系统发展的方向。C 语言初是为开发 UNIX 操作系统而设计，UNIX 核心和所有的用户程序几乎都是用 C 语言编写，是 UNIX 的标准语言。本实验要求学生在熟悉 UNIX 或 LINUX 系统的基础上，使用 vi 编辑器，了解用 C 语言编写文本处理程序的具体过程。

4、实验题目

（1）使用自己的注册号注册 UNIX 或 LINUX 系统，学习如何增加用户、设置用户缺省信息与修改用户口令、修改用户和用户组属性、删除用户注册号和用户组、目录操作、文件操作。

（2）参考附录内容学习使用 vi 编辑器。

（3）使用 C 语言编写一个词频统计程序，使之能够给出各个单词在输入文件中的出现次数。

源码：

#include

#include

#include

#include

#include

using namespace std;

int main(){

mapm;

map::iterator it;

string s, k;

while(cin >> s){

int t = 0, i, b;

for(i = 0; i

if(s[i] == ',' || s[i] == '.' || s[i] == ';' || s[i] == ':' || s[i] == '\'' || s[i] == '"' || s[i] == '(' || s[i] == ')' || s[i] == '!' || s[i] == '?') { k.assign(s, i-t, t);

if(k != "")

m[k]++;

t = -1;

}

}

if(t > 0){

k.assign(s, i-t, t);

m[k]++;

}

}

for(it = m.begin(); it != m.end(); it++)

cout << (*it).first << " " << (*it).second<

return 0;

}

（4）使用 C 语言编写一个反向打印程序，使之能够按与输入文件中文本行相反的次序来打印（即后出现的文本行先打印）。

源码：

#include

#include

#include

#include

using namespace std;

string s;

struct node

{

string s;

node* next;

};

int main()

{

node* he = new node;

he->next = NULL;

while(getline(cin,s))

{

node* ne = new node; ne->s = s;

ne->next = he->next; he->next = ne;

}

node *p = he->next, *t; while(p != NULL)

{

cout << p->s << endl; p = p->next;

}

p = t = he;

while(p != NULL)

{

t = p->next;

delete p;

p = t;

}

return 0;

}

5、实验结论

代码应具有规范性，正确性，可执行性及健壮性。其中的健壮性即为可移植性。成熟的代码应适应各个不同的平台。

实验六进程间通信

1、实验内容

模拟实现进程之间的通信。

2、实验目的

Linux 系统的进程通信机构（IPC）允许在任意进程间大批量地交换数据，通过本实验，了解熟悉 Linux 支持的消息通信机制、共享存储区机制及信息量机制。

3、实验原理

1）消息队列：其中一方创建队列，然后向另外一方发送消息。另外一方从消息队列中接收消息。

2）共享内存段：首先先创建共享内存段，其中一方向共享内存段写入数据，另一方从共享内存段中读取数据。

4、流程图

1）消息的创建，发送和接收

2）共享存储区的创建、附接和断接

5、实验题目

1、消息的创建，发送和接收。