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1、计算机学院2010-2011级操作系统课程设计任务指导书湖南科技大学计算机学院 陈燕晖编2014年1月课程设计说明一：实验操作系统平台为Linux，不熟悉该系统的同学请先看附录Linux环境快速上手指南。此外，同学们最好手头能有Unix/Linux系统编程类书籍便于查阅。二：本指导书共六个任务，指导老师可根据实际情况要求同学完成其中的几个。三：要求每人独立完成，不允许抄袭。请同学们遵循机房管理条例，在机房只能做与课程设计相关的事情，禁止玩游戏、浏览无关网页等情况。四：及时提交课程设计报告。 目录任务一 I/O系统调用开销比较1任务要求1性能测试工具介绍1mmap介绍3任务二 实现一个简单的sh
2、ell5任务要求5相关知识介绍6任务三 进程/线程同步8任务要求8SYS V信号量API介绍8Posix线程编程介绍9任务四 文件内容的并行搜索12任务要求12测试要求12任务五 实现一个malloc/free13任务要求13相关材料13任务六 利用元数据操作ext2文件系统29任务要求：29技术进攻路线29EXT2 文件系统资料30附录一：Linux环境快速上手指南34命令行和图形界面34使用帮助34编程步骤简介35Linux shell下的基本命令35附录二：调试器GDB基本使用方法37任务一 I/O系统调用开销比较本任务主要目的在于了解I/O系统调用的特点并通过性能测试对此有直观的认识。
3、任务要求在LINUX平台用C编程逆序一个文本文件，注意显示逆转结果的必须是原文件名。如文件原内容为“abcd”，处理后内容应为“dcba”。请分别使用三种方法（1）标准C的I/O库函数：fopen、fread和fwrite（2）Unix的I/O函数：open、read 和write（3）open和mmap要求尽量考虑效率，比较三种方法的性能。性能测试工具介绍 参与测试的文件必须有三种大小：4KB、256KB和64MB。read和fread每次读/写数据的大小分别为1字节、256字节、4KB和16KB。我们可以观察到系统调用的开销情况。下面简单介绍一下两个工具strace和time。strace
4、命令可以追踪进程执行系统调用和进程收到信号的情况。最简单的情形是strace执行指定的命令直至命令退出，它可以拦截并记录系统调用信息（包括系统调用名、系统调用参数、系统调用返回值），详细的信息可以参看man手册。下面演示一个用strace追踪拷贝文件命令cp的例子，执行下面命令：$strace cp wj1.txt wj5.txt执行结果的输出包含许多我们不关心的信息，所以我们只列出应该注意的部分：open(wj1.txt, O_RDONLY|O_LARGEFILE) = 3open(wj5.txt, O_WRONLY|O_CREAT|O_LARGEFILE, 0100644) = 4read
5、(3, abcden, 4096) = 6write(4, abcden, 6) = 6read(3, , 4096) = 0close(4) = 0close(3) = 0我们看到每一项的格式是统一的：open(wj1.txt, O_RDONLY|O_LARGEFILE) = 3系统调用名 系统调用参数 返回值Strace命令有许多选项，其中 c选项特别有用，它能统计系统调用的相关数据，其中包括调用次数，多少次出错返回，系统调用的耗费时间等。下面是示例产生的结果：$strace -c cp wj1.txt wj5.txt% time seconds usecs/call calls erro
6、rs syscall- - - - - - 78.91 0.003252 181 18 open 21.09 0.000869 869 1 execve 0.00 0.000000 0 17 read 0.00 0.000000 0 1 write 0.00 0.000000 0 19 close 0.00 0.000000 0 2 1 access 0.00 0.000000 0 3 brk 0.00 0.000000 0 6 munmap 0.00 0.000000 0 3 mprotect 0.00 0.000000 0 28 mmap2 0.00 0.000000 0 3 stat64
7、 0.00 0.000000 0 16 fstat64 0.00 0.000000 0 1 geteuid32 0.00 0.000000 0 1 set_thread_area- - - - - -100.00 0.004121 119 1 total time命令可以累计一个程序的运行时间。格式如下：time options command arguments. time在命令command执行结束时在标准错误输出中输出该命令的用时情况，其结果包含下面三项： 1)实际时间(real time): 从command命令行开始执行到结束经历的时间； 2)用户CPU时间(user CPU tim
8、e): 命令执行所占的用户态时间； 3)系统CPU时间(system CPU time): 命令执行所占的核心态时间（系统调用时间）。 其中，用户CPU时间和系统CPU时间之和为命令占用CPU执行的时间总和。一般说来，实际时间要大于CPU时间，因为comand可能和其他进程交替执行。 下面是一个具体例子，测试ls命令递归列出当前目录内容所用时间。 $ time ls -R执行结果如下：. (ls命令结果略)real 0m2.612suser 0m0.080ssys 0m2.524s值得提醒的是，依赖于操作系统的计时机制，time命令本身不一定很精确；此外，command的执行时间依赖于环境，所
9、以同一命令执行多次结果也可能不同，一个比较合理的做法是一个命令执行多次然后取平均值。mmap介绍mmap指memory-mapped（存储映射），其将文件内容映射到进程地址空间，相比传统方法而言，往往能够减少系统调用和内容拷贝次数，从而提高性能。其函数原型如下：void* mmap ( void * addr , size_t len , int prot , int flags , int fd , off_t offset ); 函数的返回值为最后文件映射到进程空间的地址，进程可直接操作起始地址为该值的有效地址。参数addr指定文件应被映射到进程空间的起始地址，一般被指定一个空指针，此时选
10、择起始地址的任务留给内核来完成（参见flags的说明）。参数fd为即将映射到进程空间的文件描述字，一般由open()返回，同时，fd可以指定为-1，此时须指定flags参数中的MAP_ANON，表明进行的是匿名映射。len是映射到调用进程地址空间的字节数，它从被映射文件开头offset个字节开始算起。prot 参数指定共享内存的访问权限。可取如下几个值的或：PROT_READ（可读）, PROT_WRITE（可写）, PROT_EXEC（可执行）, PROT_NONE（不可访问）。flags由以下几个常值指定：MAP_SHARED , MAP_PRIVATE , MAP_FIXED，其中，MA
11、P_SHARED , MAP_PRIVATE必选其一，而MAP_FIXED则不推荐使用。offset参数一般设为0，表示从文件头开始映射。下面给出一个使用mmap输出文件内容的例子：#include #include #include #include #include #include int main(int argc, char *argv ) int src; char * sm; struct stat statbuf; size_t fz; if ( argc != 2 ) fprintf( stderr, Usage: %s n , argv 0 ); exit( EXIT_FA
12、ILURE ); if ( ( src = open( argv 1 , O_RDONLY ) ) 0 ) perror( open source ); exit( EXIT_FAILURE ); if ( fstat( src, & statbuf ) 0) perror( fstat source ); exit( EXIT_FAILURE ); fz = statbuf.st_size; sm = mmap( 0 , fz, PROT_READ, MAP_PRIVATE | MAP_NORESERVE, src, 0 ); if ( MAP_FAILED = sm ) perror( mmap source );
