操作系统课程设计：Linux系统管理实践与进程通信实现 - 图文

操作系统课程设计

——Linux系统管理实践与进程通信实现

二零一三年一月八号

一、设计内容

1、Linux系统的熟悉与常用操作命令的掌握。

2、Linux环境下进程通信的实现。（实现父母子女放水果吃水果的同步互斥问题，爸爸放苹果，女儿专等吃苹果，妈妈放橘子，儿子专等吃橘子，盘子即为缓冲区，大小为5。）

二、Linux环境介绍

1、Linux的由来与发展

Linux是一种可以在PC机上执行的类似UNIX的操作系统，是一个完全免费的操作系统。1991年，芬兰学生Linux Torvalds开发了这个操作系统的核心部分，因为是Linux改良的minix系统，故称之为Linux。 2、Linux的优点

（1）Linux具备UNIX系统的全部优点

Linux是一套PC版的UNIX系统，相对于Windows是一个十分稳定的系统，安全性好。

（2）良好的网络环境

Linux与UNIX一样，是以网络环境为基础的操作系统，具备完整的网络功能，提供在Internet或Intranet的邮件，FTP，www等各种服务。 （3）免费的资源

Linux免费的资源和公开的源代码方便了对操作系统的深入了解，给编程爱好者提供更大的发挥空间。 3、Linux的特点

1）全面的多任务，多用户和真正的32位操作系统 2）支持多种硬件，多种硬件平台 3）对应用程序使用的内存进行保护 4）按需取盘 5）共享内存页面

6）使用分页技术的虚拟内存 7）优秀的磁盘缓冲调度功能 8）动态链接共享库

9）支持伪终端设备 10）支持多个虚拟控制台 11）支持多种CPU

12）支持数字协处理器387的软件模拟 13）支持多种文件系统 14）支持POSIX的任务控制 15）软件移植性好

16）与其它UNIX系统的兼容性 17）强大的网络功能

三、常用命令介绍

1、目录操作

和DOS相似，Linux采用树型目录管理结构，由根目录（/）开始一层层将子目录建下去，各子目录以 / 隔开。用户login后，工作目录的位置称为 home directory，由系统管理员设定。‘~’符号代表自己的home directory，例如 ~/myfile 是指自己home目录下myfile这个文件。

Linux的通配符有三种：’*’和’?’用法与DOS相同，‘-‘代表区间内的任一字符，如test[0-5]即代表test0，test1，……，test5的集合。 （1）显示目录文件 ls

执行格式： ls [-atFlgR] [name] (name可为文件或目录名称) 例： ls 显示出当前目录下的文件

ls -a 显示出包含隐藏文件的所有文件 ls -t 按照文件最后修改时间显示文件 ls -F 显示出当前目录下的文件及其类型

ls -l 显示目录下所有文件的许可权、拥有者、文件大小、修

改时间及名称

ls -lg 同上

ls -R 显示出该目录及其子目录下的文件

注:ls与其它命令搭配使用可以生出很多技巧(最简单的如\，更多用法请输入ls --help查看，其它命令的更多用法请输入 命令名 --help

查看。

（2）建新目录 mkdir

执行格式： mkdir directory-name

例： mkdir dir1 (新建一名为dir1的目录) （3）删除目录 rmdir

执行格式： rmdir directory-name 或 rm directory-name 例：rmdir dir1 删除目录dir1，但它必须是空目录，否则无法删除 rm -r dir1 删除目录dir1及其下所有文件及子目录 rm -rf dir1 不管是否空目录，统统删除，而且不给出提示,使用

时要小心

（4）改变工作目录位置 cd

执行格式： cd [name]

例： cd 改变目录位置至用户login时的working directory cd dir1 改变目录位置，至dir1目录

cd ~user 改变目录位置，至用户的working directory cd 改变目录位置，至当前目录的上层目录 cd /user 改变目录位置，至上一级目录下的user目录 cd /dir-name1/dir-name2 改变目录位置，至绝对路径（Full path） cd 回到进入当前目录前的上一个目录 （5）显示当前所在目录 pwd

执行格式： pwd （6）查看目录大小du

执行格式： du [-s] directory

例：du dir1 显示目录dir1及其子目录容量（以kb为单位） du -s dir1 显示目录dir1的总容量 （7）显示环境变量

echo $HOME 显示家目录

echo $PATH 显示可执行文件搜索路径

env 显示所有环境变量(可能很多,最好用\PATH\等)

（8）修改环境变量，在bash下用export,如： export PATH=$PATH:/usr/local/bin

想知道export的具体用法，可以用shell的help命令：help export 2、文件操作

（1）查看文件(可以是二进制的)内容 cat

执行格式：cat filename或more filename 或cat filename|more 例： cat file1 以连续显示方式，查看文件file1的内容

more file1

或 cat file1|more 以分页方式查看文件的内容

（2）删除文件 rm

执行格式： rm filename 例： rm file?

rm f*

（3）复制文件 cp

执行格式： cp [-r] source destination

例： cp file1 file2 将file1复制成file2 cp file1 dir1 将file1复制到目录dir1 cp /tmp/file1 将file1复制到当前目录

cp /tmp/file1 file2 将file1 复制到当前目录名为file2

cp –r dir1 dir2 (recursive copy)复制整个目录。

（4）移动或更改文件、目录名称 mv

执行格式： mv source destination

例： mv file1 file2 将文件file1，更名为file2 mv file1 dir1 将文件file1，移到目录dir1下

mv dir1 dir2

（5）比较文件(可以是二进制的)或目录的内容 diff

执行格式： diff [-r] name1 name2 (name1、name2同为文件或目录) 例： diff file1 file2 比较file1与file2的不同处

diff -r dir1 dir2 比较dir1与dir2的不同处

（6）文件中字符串的查找 grep

执行格式： grep string file

例： grep abc file1 查找并列出串abc所在的整行文字 （7）文件或命令的路径寻找

执行格式一：whereis command 显示命令的路径

执行格式二：which command 显示路径及使用者所定义的别名 执行格式三：whatis command 显示命令的功能摘要

执行格式四：find search -path -name filename -print搜寻指定路径下某文件的路径

执行格式五：locate filename

根据系统预先生成的文件/目录数据库(/var/lib/slocate/slocate.db)查找匹配的文件/目录,查找速度很快,如果有刚进行的文件改变而系统未到执行定时更新数据库的时间,可以打入updatedb命令手动更新。 （8）建立文件或目录的链接 ln

例: ln source target1 建立source文件（已存在）的硬链接,命名为target1

ln -s source target2 建立source文件的符号链接,命名为target2

以下是几个常用命令操作的截图：

四、设计思想

当计算机中两个或多个进程在执行时需要使用公用缓冲区，并且对该缓冲区采取了互斥措施。这时如果并发执行这些进程就会造成CPU的极大浪费，这是操作系统设计要求不允许的。而这种现象在操作系统和用户进程中大量存在。因此为了解决这一问题，提出了同步的概念，即把异步环境下的一组并发进程，因直接制约而互相发送消息、互相合作、互相等待，使得各进程按一定的速度执行的过程称为进程间的同步。

在本次设计中，爸爸与妈妈、儿子与女儿的进程操作是互斥的，但是爸爸与女儿、妈妈与儿子进程之间的操作是同步的。因此要利用进程同步的方法来实现这几者之间的操作，当然其中也包含着互斥进程，因为盘子每次只能放入或取出一个水果。

程序设计中有如下四个进程：father()，mother()，daughter()，son()。

五、数据结构

1、信号量semid_mutex作为进程的公有信号量，其初始值为1，可以实现进程间的互斥，同时可以表示当前状态下盘子里可以放几个水果，实现进程间的同步。 2、信号量semid_full1为进程father()与daughter()的私有信号量，初值为0，表示当前盘子里苹果的数目。

3、信号量semid_full2为进程mother()与son()的私有信号量，初值为0，表示当前盘子里橘子的数目。

六、设计流程

爸爸放苹果流程图：

father操作 semid_mutex<=0 (P(semid_mutex)) 是 否 阻塞father进程 放苹果 唤醒daughter进程 V(semid_full1)

妈妈放橘子流程图：

mother操作 semid_mutex<=0 女儿吃苹果流程图：儿子吃橘子流程图：(P(semid_mutex)) 是 否 阻塞mother进程 放橘子 唤醒son进程 V(semid_full2) daughter操作 semid_full1<=0 (P(semid_full1)) 是 否 阻塞daughter进程 吃苹果 离开临界区 唤醒father进程 V(semid_mutex)

son操作 semid_full2<=0 (P(semid_full2)) 是 否 阻塞son进程 吃橘子 离开临界区 唤醒mother进程 V(semid_mutex)

七、源代码

#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include

#define SHMKEY 9090 /*共享存储区的键*/ #define SEMKEY_EMPTY 9091 #define SEMKEY_MUTEX 9092 #define SEMKEY_FULL1 9093

#define SEMKEY_FULL2 9094 /*信号量数组的键*//*注意:上面的键在系统中必须唯一*/ #define BUFF_LEN 5/*缓冲区可以存放10个产品*/

#define PRODUCT_LEN 1 /*每个产品是一个字符串:<=32字符*/

void set_sembuf_struct(struct sembuf *sem,int semnum, int semop,int semflg)

{

/* 设置信号量结构 */ sem->sem_num=semnum; sem->sem_op=semop; sem->sem_flg=semflg; }

int begin() {

char *addr, end; int shmid;

int semid_empty, semid_full1,semid_full2, semid_mutex; struct sembuf sem_tmp;

/*开辟共享存储区*/

if ((shmid = shmget(SHMKEY, BUFF_LEN * PRODUCT_LEN+3, 0777|IPC_CREAT|IPC_EXCL)) == -1) {

if (errno == EEXIST) {

printf(\

printf(\ scanf(\

if(end == 'y' || end == 'Y') {

/* 共享存储区、信号量并不随程序的结束而被删除,如果我们没删除的话， 可以用ipcs命令查看,用ipcrm删除 */

/*释放缓冲区*/

shmid = shmget(SHMKEY, BUFF_LEN * PRODUCT_LEN+3, 0777); if (shmctl(shmid,IPC_RMID,0) < 0) perror(\

/*同时释放信号量*/

semid_mutex = semget(SEMKEY_MUTEX,1, 0777);/*获取全局信号量id*/ semid_empty = semget(SEMKEY_EMPTY,1, 0777); semid_full1 = semget(SEMKEY_FULL1,1, 0777); semid_full2 = semget(SEMKEY_FULL2,1, 0777); semctl(semid_mutex,0,IPC_RMID); semctl(semid_empty,0,IPC_RMID); semctl(semid_full1,0,IPC_RMID); semctl(semid_full2,0,IPC_RMID); } } else

printf(\ return -1; }

addr = (char*)shmat(shmid, 0, 0);/*连接缓冲区*/

memset(addr, 0, BUFF_LEN * PRODUCT_LEN+3); //初始化存储区 为0 shmdt(addr); /*离开缓冲区*/

/*创建3个信号量:1个用于对缓冲区互斥,2个用于生产者、消费者同步*/ if((semid_mutex = semget(SEMKEY_MUTEX,1, 0777|IPC_CREAT|IPC_EXCL))==-1) {

if (errno == EEXIST)

printf(\ else

printf(\ return -1; }

if((semid_empty= semget(SEMKEY_EMPTY,1, 0777|IPC_CREAT|IPC_EXCL))==-1) {

if (errno == EEXIST)

printf(\ else

printf(\ return -1; }

if((semid_full1 = semget(SEMKEY_FULL1,1, 0777|IPC_CREAT|IPC_EXCL))==-1) {

if (errno == EEXIST)

printf(\ else

printf(\ return -1; }

if((semid_full2= semget(SEMKEY_FULL2,1, 0777|IPC_CREAT|IPC_EXCL))==-1) {

if (errno == EEXIST)

printf(\ else

printf(\ return -1; }

/*给信号量赋初值*/

set_sembuf_struct(&sem_tmp, 0, BUFF_LEN, 0);/*BUFF_LEN*/ semop(semid_empty, &sem_tmp,1);

set_sembuf_struct(&sem_tmp, 0, 0, 0);/*0*/ semop(semid_full1, &sem_tmp,1);

set_sembuf_struct(&sem_tmp, 0, 0, 0);/*0*/ semop(semid_full2, &sem_tmp,1);

set_sembuf_struct(&sem_tmp, 0, 1, 0);/*1*/ semop(semid_mutex, &sem_tmp,1);

return 0; }

/*下面的P,V是对系统调用的简单封装*/ int P(int semid) {

struct sembuf p_buf; p_buf.sem_num = 0; p_buf.sem_op = -1; p_buf.sem_flg = 0;

if(semop(semid, &p_buf, 1)==-1)/*semop参见课件ppt*/ {

perror (\ exit (1); } else

return 0; }

int V(int semid) {

struct sembuf v_buf;/*struct 参见课件ppt*/ v_buf.sem_num = 0; v_buf.sem_op = 1; v_buf.sem_flg = 0;

if(semop(semid, &v_buf, 1)==-1) { perror (\ exit (1); } else

return 0; }

int father()

{

int semid_empty, semid_full1,semid_full2, semid_mutex;/*信号量集合id*/ int rc1,rc2,rc3;

semid_mutex = semget(SEMKEY_MUTEX,1, 0777);/*获取全局信号量id*/ semid_empty = semget(SEMKEY_EMPTY,1, 0777); semid_full1 = semget(SEMKEY_FULL1,1, 0777); semid_full2 = semget(SEMKEY_FULL2,1, 0777);

rc1=semctl(semid_empty,0,GETVAL); rc2=semctl(semid_mutex,0,GETVAL); if(rc1==0) {

return 1; //不能放 則等待 }

if(rc2==0 ) {

return 1; }

P(semid_empty);/*对私有信号量作P操作*/ P(semid_mutex);

printf(\ printf(\ V(semid_mutex); V(semid_full1);

rc3=semctl(semid_full1,0,GETVAL);

printf(\ return 0; }

int mother()

{ int semid_empty, semid_full1,semid_full2, semid_mutex;/*信号量集合id*/ int rc1,rc2,rc3;

semid_mutex = semget(SEMKEY_MUTEX,1, 0777);/*获取全局信号量id*/ semid_empty = semget(SEMKEY_EMPTY,1, 0777); semid_full1 = semget(SEMKEY_FULL1,1, 0777); semid_full2 = semget(SEMKEY_FULL2,1, 0777); rc1=semctl(semid_empty,0,GETVAL); rc2=semctl(semid_mutex,0,GETVAL);

if(rc1==0) {

return 1; //不能放 則等待

}

else if(rc2==0) {

return 1; }

P(semid_empty);/*对私有信号量作P操作*/ P(semid_mutex);

printf(\ printf(\ V(semid_mutex); V(semid_full2);

rc3=semctl(semid_full2,0,GETVAL); printf(\ return 0; }

int son() {

int semid_empty, semid_full1,semid_full2, semid_mutex;/*信号量集合id*/ int rc1,rc2;

semid_mutex = semget(SEMKEY_MUTEX,1, 0777);/*获取全局信号量id*/ semid_empty = semget(SEMKEY_EMPTY,1, 0777); semid_full1 = semget(SEMKEY_FULL1,1, 0777); semid_full2 = semget(SEMKEY_FULL2,1, 0777); rc2=semctl(semid_full1,0,GETVAL); rc1=semctl(semid_full2,0,GETVAL); if(rc1==0) {

return 1; //不能放 則等待 }

P(semid_full2);/*对私有信号量作P操作*/ P(semid_mutex);

printf(\ printf(\ oranges to get \\n\ printf(\ V(semid_empty); V(semid_mutex); return 0; }

int daughter() {

int semid_empty, semid_full1,semid_full2, semid_mutex;/*信号量集合id*/ int rc1,rc2,rc3;

semid_mutex = semget(SEMKEY_MUTEX,1, 0777);/*获取全局信号量id*/ semid_empty = semget(SEMKEY_EMPTY,1, 0777); semid_full1 = semget(SEMKEY_FULL1,1, 0777); semid_full2 = semget(SEMKEY_FULL2,1, 0777); rc2=semctl(semid_full1,0,GETVAL); rc1=semctl(semid_full2,0,GETVAL); if(rc2==0) {

return 1; //不能放 則等待 }

P(semid_full1); P(semid_mutex);

printf(\ printf(\ apples to get \\n\ printf(\ APPLE\\n\ V(semid_empty); V(semid_mutex); return 0; }

int main() {

int pid; int i = 0, x; begin(); pid = fork(); if(fork()==0) { father(); } if(fork()==0) { mother(); } if(fork()==0) { daughter(); } if(fork()==0) { son();

}

return 0; }

八、调试与运行

首先，利用g++ ks.cpp编译一次，若有错误，则根据错误提示对程序进行修改。其次，编译通过后执行./a.out，若原先已有共享缓冲区，则删除原先缓冲区，再创建新的共享缓冲区.,然后再次执行./a.out,观察系统进程调度。

运行结果如下：

九、设计总结

在设计这个题目之前，由于对进程同步的实现方法不是很了解，对于怎样具

体实现进程同步有很大的疑问，所以在网上进行了查找，但几经搜索都没有找到合适的材料。就是在这种虽然有一定基础，但并不能完全依靠的前提下，自己通过查找相关的书籍，了解本次设计中涉及到的数据结构后，成功实现了进程同步的功能。从对进程同步只是一个概念上的认识，到最终将它的功能实现这一过程，我感到非常满意与欣慰，因为这些都是通过自己的努力一步一步实现的。

同时，本次课程设计也存在着不足之处。虽然熟悉和了解了程序中各数据结构的定义和创建，但是在一些细节问题上还没有一个很明确的认识，只是机械的合法的使用它。当然，在以后的课程设计中，我会更加追求完善，将不清晰的地方都弄明白。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/t9jg.html