NUAA操作系统实验报告
操作系统实验报告
1.mysys.c
题目要求
实现函数mysys，用于执行一个系统命令，要求如下
- mysys的功能与系统函数system相同，要求用进程管理相关系统调用自己实现一遍
- 使用fork/exec/wait系统调用实现mysys
- 不能通过调用系统函数system实现mysys
- 测试程序
#include - 测试程序的输出结果
--------------------------------------------------
HELLO WORLD
--------------------------------------------------
bin core home lib mnt root snap tmp vmlinuz
boot dev initrd.img lost+found opt run srv usr vmlinuz.old
cdrom etc initrd.img.old media proc sbin sys var
--------------------------------------------------
解决思路
将输入的命令存储在字符串str内，之后传入mysys函数，mysys函数首先判断命令是否合法，如果是空的，则输出error，反之，fork产生子进程，也就是表示pid的变量p为0时，即当前进程为子进程，然后在子进程中完成execl函数的调用，去执行字符串传入的命令，父进程等待子进程完成后退出mysys函数。
实验代码
#include
#include
#include
#include
void mysys(char *str)
{
pid_t p;
if(str != NULL){
p = fork();
if(p == 0){
execl("/bin/sh","sh","-c",str,NULL);
}
wait(NULL);
}
else
{
printf("error\n");
exit(0);
}
}
int main()
{
printf("-----------------------------\n");
mysys("echo HELLO WORLD");
printf("-----------------------------\n");
mysys("ls /");
return 0;
}
运行结果
shiyanlou:~/ $ cc mysys.c -o mysys
shiyanlou:~/ $ ./mysys
--------------------------------------------------
HELLO WORLD
--------------------------------------------------
anaconda3 boot dev home lib64 mnt proc run srv tmp var
bin data etc lib media opt root sbin sys usr
--------------------------------------------------
2.sh3.c
题目要求
实现shell程序，要求在第2版的基础上，添加如下功能
- 实现管道
- 只要求连接两个命令，不要求连接多个命令
- 不要求同时处理管道和重定向
# 执行sh3
$ ./sh3
# 执行命令cat和wc，使用管道连接cat和wc
> cat /etc/passwd | wc -l
- 考虑如何实现管道和文件重定向，暂不做强制要求
$ cat input.txt
3
2
1
3
2
1
$ cat output.txt
$ cat output.txt
1
2
3
解决思路
对于管道：
-
父进程调用pipe函数创建管道，得到两个文件描述符fd[0]、fd[1]指向管道的读端和写端。
-
父进程调用fork创建子进程，那么子进程也有两个文件描述符指向同一管道。
-
父进程关闭管道读端，子进程关闭管道写端。父进程可以向管道中写入数据，子进程将管道中的数据读出。由于管道是利用环形队列实现的，数据从写端流入管道，从读端流出，这样就实现了进程间通信。
代码思路：首先读取一行指令，进入exec函数执行指令，对指令进行划分判断，根据字符串的不同情况，判断命令参数和重定向内容，运用execl函数执行不同的逻辑操作。在对字符串进行判断时，碰到 ‘>’ 时处理输出重定向，下一单词为output，碰到 ‘<’ 的下一单词为输入重定向，下一单词为input。
实验代码
#include 运行结果
shiyanlou:~/ $ cc sh3.c -o sh3
shiyanlou:~/ $ ./sh3
>cat /etc/passwd | wc -l
36
>cat input.txt
1 2 3 5 4 3
>cat output.txt
>cat output.txt
1 2 3 5 4 3
3.pi1.c
题目要求
使用2个线程根据莱布尼兹级数计算PI
- 莱布尼兹级数公式: 1 - 1/3 + 1/5 - 1/7 + 1/9 - … = PI/4
- 主线程创建1个辅助线程
- 主线程计算级数的前半部分
- 辅助线程计算级数的后半部分
- 主线程等待辅助线程运行结束后,将前半部分和后半部分相加
解决思路
使用两个线程去计算莱布尼兹级数公式，主线程计算前半部分，辅助线程计算后半部分，最后计算得到的结果为PI/4，将其进行输出。工作线程执行函数worker计算级数的前半段(0n/2+1)，主线程执行函数master计算级数的后半段(n/2+1n-1)，pthread_join等待子线程结束，得到结果，主函数内total是二者值的和，为最后结果。
本题中n为变量NUMBER，将它定义为150000，计算结果，得到结果PI/4=0.785397，PI = 4×0.785397 = 3.141588，结果正确。当NUMBER越大，得到的结果也就约精确，当然程序耗时也会更长。
实验代码
#include 运行结果
shiyanlou:~/ $ cc pi1.c -o pi1 -lpthread
shiyanlou:~/ $ ./pi1
PI/4 = 0.785397
4.pi2.c
题目要求
使用N个线程根据莱布尼兹级数计算PI
- 与上一题类似，但本题更加通用化，能适应N个核心
- 主线程创建N个辅助线程
- 每个辅助线程计算一部分任务，并将结果返回
- 主线程等待N个辅助线程运行结束，将所有辅助线程的结果累加
- 本题要求 1: 使用线程参数，消除程序中的代码重复
- 本题要求 2: 不能使用全局变量存储线程返回值
解决思路
NR_CPU代表线程数，结构体param用来传参，之后利用线程参数传递每个部分的起始值和结束值，每个线程负责NR_TOTAL/NR_CPU长度的计算，结构体result储存线程返回值。
在主线程内开启NR_CPU个线程，每个辅助线程调用compute函数计算对应的的值，利用pthread_join函数接收线程入口返回值result，之后累加得到PI/4。本题中取n为500000，线程数为10，计算结果为0.785398，为PI/4的近似值。
实验代码
#include 运行结果
shiyanlou:~/ $ cc pi2.c -o pi2 -lpthread
shiyanlou:~/ $ ./pi2
PI/4 = 0.785398
5.pc1.c
题目要求
使用条件变量解决生产者、计算者、消费者问题
- 系统中有3个线程：生产者、计算者、消费者
- 系统中有2个容量为4的缓冲区：buffer1、buffer2
- 生产者生产’a’、‘b’、‘c’、‘d’、‘e’、‘f’、‘g’、'h’八个字符，放入到buffer1
- 计算者从buffer1取出字符，将小写字符转换为大写字符，放入到buffer2
- 消费者从buffer2取出字符，将其打印到屏幕上
解决思路
总共有三个角色，他们的关系是：计算者相当于生产者的消费者，“消费者”相当于计算者的消费者。
1.生产者产生字符后，查看buffer1的锁状态，加锁，之后判断buffer1是否为满，满则阻塞等待，反之放入缓冲区buffer1，之后唤醒等待的计算者线程，解开锁。
2.计算者被唤醒后，获取buffer1的锁，加锁，判断buffer1是否为空，如果空则阻塞等待，反之取出一个字符，转化为大写形式。之后再唤醒生产者，释放锁。接下来，它作为消费者的生产者，查看buffer2的锁状态，加锁，之后判断buffer2是否为满，满则阻塞等待，反之将字符放入缓冲区buffer2，之后唤醒等待的消费者线程，解开锁。
3.消费者被唤醒后，获取buffer2的锁，加锁，判断buffer2是否为空，如果空则阻塞等待，反之取出一个字符，输出到屏幕上，之后唤醒消费者，解开锁。
以上三个进程以此往复，进行工作，产生的结果每次可能是不一样的，因为进程的执行顺序未知。
- buffer1_in、buffer1_out、buffer2_in、buffer2_out四个变量定义两个缓冲区的读写指针，通过他们来存取字符。
- mutex1、mutex2为两个缓冲区的锁。同时还有几个判断缓冲区状态的函数和存取字符的函数。
实验代码
#include 运行结果
shiyanlou:~/ $ cc pc1.c -o pc1 -lpthread
shiyanlou:~/ $ ./pc1
produce item: a
produce item: b
produce item: c
produce item: d
produce item: e
consume item: A
consume item: B
consume item: C
produce item: f
consume item: D
consume item: E
produce item: g
consume item: F
produce item: h
consume item: G
consume item: H
6.pc2.c
题目要求
使用信号量解决生产者、计算者、消费者问题
- 功能和前面的实验相同，使用信号量解决
解决思路
总共有三个角色，他们的关系是：计算者相当于生产者的消费者，“消费者”相当于计算者的消费者，按一定的逻辑执行PV操作。
1.生产者首先执行sema_wait(&empty_buffer_sema1) 函数，访问buffer1的空闲位置。当有空闲位置时， empty_buffer_sema1减1，对buffer1加锁，加入字符后解开锁。再执行sema_signal(&full__buffer_sema1)函数，full_buffer_semal加1，唤起计算者进程。
2.计算者首先执行sema_wait(&full_buffer_sema1) 函数，判断buffer1是否有值，如果等到有值的情况，则full_buffer_sema1减1，加buffer1的锁，取字符转换为大写形式，解开锁，再执行(&empty_buffer_sema1)，此时empty_buffer_sema1加1，唤醒等待的生产者线程。之后作为生产者，向buffer2写字符，首先执行sema_wait(&full_buffer_sema2) 函数，判断是否buffer2有值，如果等到有值的情况，则full_buffer_sema2减1，加buffer1的锁，取字符转换为大写形式，解开锁，再执行(&empty_buffer_sema2)，此时empty_buffer_sema2加1，唤醒等待的消费者线程。
3.消费者首先执行sema_wait(&full_buffer_sema2) ，判断是否buffer2有值，如果有值，则full_buffer_sema2减1，加buffer2的锁，取字符打印输出，解开锁，再执行sema_signal(&empty_buffer_sema2)，此时empty__buffer_sema2加1，唤醒等待的计算者线程。
- mutex_sema1，mutex_sema2是buffer1，buffer2的锁。读写变量同上。
- empty_buffer_sema1，empty_buffer_sema2表示缓冲区空位个数，full_buffer_sema1，full_buffer_sema2表示已经存放的字符个数。
实验代码
#include 运行结果
shiyanlou:~/ $ cc pc2.c -o pc2 -lpthread
shiyanlou:~/ $ ./pc2
produce item: a
produce item: b
produce item: c
consume item: A
consume item: B
consume item: C
produce item: d
produce item: e
produce item: f
consume item: D
consume item: E
consume item: F
produce item: g
produce item: h
consume item: G
consume item: H