操作系统实验:操作系统初步
操作系统初步实验报告_16281002_杜永坤_计科1601班
实验题目
(注意:本次所有实验都在Linux中完成)
一、(系统调用实验)了解系统调用不同的封装形式。
要求:1、参考下列网址中的程序。阅读分别运行用API接口函数getpid()直接调用和汇编中断调用两种方式调用Linux操作系统的同一个系统调用getpid的程序(请问getpid的系统调用号是多少?linux系统调用的中断向量号是多少?)。2、上机完成习题1.13。3、阅读pintos操作系统源代码,画出系统调用实现的流程图。
http://hgdcg14.blog.163.com/blog/static/23325005920152257504165/
#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
int main(){
pid_t pid;
pid = getpid();
printf("%d\n",pid);
return 0;
}
#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
int main(){
pid_t pid;
asm volatile(
"mov $0,%%ebx\n\t"
"mov $0x14,%%eax\n\t"
"int $0x80\n\t"
"mov %%eax,%0\n\t"
:"=m"(pid)
);
printf("%d\n",pid);
return 0;
}
二、(并发实验)根据以下代码完成下面的实验。
要求:
1、 编译运行该程序(cpu.c),观察输出结果,说明程序功能。
(编译命令: gcc -o cpu cpu.c –Wall)(执行命令:./cpu)
2、再次按下面的运行并观察结果:执行命令:./cpu A & ; ./cpu B & ; ./cpu C & ; ./cpu D &程序cpu运行了几次?他们运行的顺序有何特点和规律?请结合操作系统的特征进行解释。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/time.h>
#include <assert.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
if (argc != 2) {
fprintf(stderr, "usage: cpu <string>\n");
exit(1);
}
char *str = argv[1];
while (1) {
sleep(1);
printf("%s\n", str);
}
return 0;
}
三、(内存分配实验)根据以下代码完成实验。
要求:
2、 阅读并编译运行该程序(mem.c),观察输出结果,说明程序功能。(命令: gcc -o mem mem.c –Wall)
2、再次按下面的命令运行并观察结果。两个分别运行的程序分配的内存地址是否相同?是否共享同一块物理内存区域?为什么?命令:./mem &; ./mem &
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
int *p = malloc(sizeof(int)); // a1
assert(p != NULL);
printf("(%d) address pointed to by p: %p\n",getpid(), p); // a2
*p = 0; // a3
while (1) {
sleep(1 );
*p = *p + 1;
printf("(%d) p: %d\n", getpid(), *p); // a4
}
return 0;
}
四、(共享的问题)根据以下代码完成实验。
要求:
1、 阅读并编译运行该程序,观察输出结果,说明程序功能。(编译命令:gcc -o thread thread.c -Wall –pthread)(执行命令1:./thread 1000)
2、 尝试其他输入参数并执行,并总结执行结果的有何规律?你能尝试解释它吗?(例如执行命令2:./thread 100000)(或者其他参数。)
3、 提示:哪些变量是各个线程共享的,线程并发执行时访问共享变量会不会导致意想不到的问题。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
volatile int counter = 0;
int loops;
void *worker(void *arg) {
int i;
for (i = 0; i < loops; i++) {
counter++;
}
return NULL;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
if (argc != 2) {
fprintf(stderr, "usage: threads <value>\n");
exit(1);
}
loops = atoi(argv[1]);
pthread_t p1, p2;
printf("Initial value : %d\n", counter);
pthread_create(&p1, NULL, worker, NULL);
pthread_create(&p2, NULL, worker, NULL);
pthread_join(p1, NULL);
pthread_join(p2, NULL);
printf("Final value : %d\n", counter);
return 0;
}
实验过程
一、(系统调用实验)了解系统调用不同的封装形式。
1、运行用API接口函数getpid()直接调用:
汇编中断调用两种方式调用Linux操作系统的同一个系统调用getpid的程序:
从汇编程序可以看出getpid的是系统调用号为0x14,linux系统调用的中断向量号为0x80.
2、
1)linux的系统调用使用write函数。此函数有三个参数,第一个参数为1时是控制台输出。第三个参数是讲第二个参数的N个字符输出到控制台;在本次例子中Hello World !\n总共13字符。所以为13.
#include “stdio.h”
#include"stdlib.h"
#include <unistd.h>
int main()
{
write(1,“Hello World!\n”,13);
return 0;
}
2)使用汇编调用4号系统调用,对应的函数调用为sys_wirte, ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
参数 fd、buf 和 count 分别存在寄存器 ebx、ecx 和 edx 中,而系统调用号 SYS_write 则放在寄存器 eax 中,当 int 0x80 指令执行完毕后,返回值可以从寄存器 eax 中获得。
汇编代码:
.section .data #数据段声明
msg: .ascii "hello world!\n" #要输出的字符串
len=.-msg #字符串长度
.section .text #代码段声明
#.global main
#main:
.global _start #指定入口函数
_start: #函数在屏幕上输出hello world!
movl $len, %edx #第三个参数: 字符串长度
movl $msg, %ecx #第二个参数: hello world!字符串
movl $1, %ebx #第一个参数: 输出文件描述符
movl $4, %eax #系统调用号sys_write
int $0x80 #调用内核功能 #下面为退出程序代码
movl $0, %ebx #第一个参数: 退出返回码
movl $1, %eax #系统调用sys_exit
int $0x80
编译执行后结果:
3、pintos操作系统的系统调用的实现如下:
二、并发实验
1、程序功能:
在终端中运行 ./cpu 不带参数,在终端打印usage: cpu
在终端中运行 ./cpu a 带string类型的参数(a),所以argc==2则打印 string类型的参数(a),argv参数为终端命令参数,例如 在终端输入 ./cpu A ,则argc[0]为第一个参数./cpu,argv[1]第二个参数为A,程序会循环打印第二个参数。
2、
运行结果:
·结果分析:程序运行时,可以看出,终端一次输出:四个字符,感觉是个程序同时在cpu中运行计算最后一同输出结果,这是四个程序并发运行的结果,四个程序在宏观上是一同运行的,微观上还是在cpu交替运行的,这个交替运行的顺序不确定,先进行的程序不一定是先结束,这就造成了这四个程序同时运行的时候,结束的顺序是不确定的,所以每次输出的时候,A\B\C\D的顺序是不确定的。
三、(内存分配实验)
1、运行结果:
程序功能:
该程序做了几件事。 首先,它分配一些内存。 然后,它打印出内存地址,然后将数字0放入新分配的内存的第一个位置。 最后,它循环:延迟一秒并递增存储在p中保存的地址的值。 对于每个print语句,它还会打印出正在运行的程序的进程标识符(PID)。 该PID在每个运行过程中都是唯一的。
2、
运行结果:
结果分析:
每个正在运行的程序都在同一地址(0x5572a39ae260)分配了内存,但每个程序似乎都在独立更新0x5572a39ae260地址的值。 每个正在运行的程序都有自己的私有内存,而不是与其他正在运行的程序共享相同的物理内存。这是因为操作系统虚拟化了内存。 每个进程访问自己的私有虚拟地址空间(有时只称为其地址空间(address space)),操作系统以某种方式映射到机器的物理内存。 一个正在运行的程序中的内存引用不会影响其他进程(或OS本身)的地址空间;就运行程序而言,它拥有所有的物理内存。 然而,现实是物理内存是由操作系统管理的共享资源。
两个程序共享了物理内存,因为操作系统虚拟化了内存,是的两个程序共享物理内存,但是每个程序都有私有虚拟地址空间。
四、(共享的问题)
1、
运行结果:
程序功能:
主程序使用Pthread .create()创建两个线程。 可以将线程视为在与其他函数相同的内存空间中运行的函数,其中一次**多个函数。 在这个例子中,每个线程开始在一个名为worker()的例程中运行,在该例程中,它只是循环递增一个统计循环次数的计数器。当两个线程完成时,计数器的最终值为2000,因为每个线程将计数器递增1000次。 当循环的输入值设置为N时,期望程序的最终输出为2N。
2、
尝试运行更多变量:
结果分析:
由1可以得到,期望值应该是2000000、200000和200000但是结果并非如此,而且对100000这个变量有两个结果,结果也是不一样,结果输出并没有规律。
原因:
原因与指令的执行方式有关,一次一个。 程序的一个关键部分,共享计数器递增,需要三个指令:一个用于将计数器的值从存储器加载到寄存器中,一个用于递增它,一个用于将其存储回内存。 因为这三个指令不是原子地执行(一次全部执行),如果三个指令某一指令没有完成计数器就不会递增,所以运行的结果并不会是预想中的结果。
3、
countor 、loops 这两个全局变量是被这两个线程共享的。
就如同2中发生的事情,当两个的线程并行执行的时候,共享全局变量countor ,虽然该变量的类型是volatile,是volatile它可能被意想不到地改变。volatile表明某个变量的值可能在外部被改变,优化器在用到这个变量时必须每次都小心地重新读取这个变量的值,而不是使用保存在寄存器里的备份。在编写多线程的程序时,同一个变量可能被多个线程修改,而程序通过该变量同步各个线程。
但是由于2中的原因存在,导致countor在内存中的值永远是不可意料,所以对于100000这个数据两次运行,得到的结果并不一样。
github:https://github.com/Topdu/os/tree/master/homework/实验1
参考链接:
http://www.morecoder.com/article/1048513.html
https://blog.csdn.net/shallnet/article/details/45544271