操作系统课程设计：Linux系统管理实践与进程通信实现

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CPU12）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"ls -l | more")，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 directorycd 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 $PATH 显示可执行文件搜索路径env 显示所有环境变量(可能很多,最好用"env|more","env|grep PATH"等)（8）修改环境变量，在bash下用export,如：export PATH=$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file2cp file1 dir1 将file1复制到目录dir1cp /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file2mv 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target1ln -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：妈妈放橘子流程图：father操作semid_mutex<=0(P(semid_mutex))阻塞father进程是放苹果否唤醒daughter进程V(semid_full1)女儿吃苹果流程图：儿子吃橘子流程图：mother操作semid_mutex<=0(P(semid_mutex))阻塞mother进程是放橘子否唤醒son进程V(semid_full2)daughter操作semid_full1<=0(P(semid_full1))阻塞daughter进程是吃苹果否离开临界区唤醒father进程V(semid_mutex)七、源代码#include <unistd.h>#include<stdlib.h>#include<stdio.h>#include<time.h>#include<sys/wait.h>#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/shm.h>#include <sys/sem.h>#include <errno.h>#include<signal.h>#include <string.h>#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) son 操作semid_full2<=0(P(semid_full2)) 阻塞son 进程是吃橘子否离开临界区唤醒mother 进程V(semid_mutex){/* 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("The Buffer Has Existed!\n");printf("Do You Want To Delete The Buffer(Y = yes)?\n====:");scanf("%c", &end);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("shmctl: falsed");/*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);}}elseprintf("Fail To Create Buffer!\n");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("The SEMKEY_MUTEX Has Existed!\n");elseprintf("Fail To Create SEMKEY_MUTEX!\n");return -1;}if((semid_empty= semget(SEMKEY_EMPTY,1, 0777|IPC_CREAT|IPC_EXCL))==-1) {if (errno == EEXIST)printf("The SEMKEY_EMPTY Has Existed!\n");elseprintf("Fail To Create SEMKEY_EMPTY!\n");return -1;}if((semid_full1 = semget(SEMKEY_FULL1,1, 0777|IPC_CREAT|IPC_EXCL))==-1) {if (errno == EEXIST)printf("The SEM_FULL1 Has Existed!\n");elseprintf("Fail To Create SEM_FULL1!\n");return -1;}if((semid_full2= semget(SEMKEY_FULL2,1, 0777|IPC_CREAT|IPC_EXCL))==-1) {if (errno == EEXIST)printf("The SEM_FULL2 Has Existed!\n");elseprintf("Fail To Create SEM_FULL2!\n");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 ("p (semid) falsed");exit (1);}elsereturn 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 (" v (semid) failed");exit (1);}elsereturn 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("there is %d places to put apples\n",rc1);printf("PUT AN APLLE\n");V(semid_mutex);V(semid_full1);rc3=semctl(semid_full1,0,GETVAL);printf("daughter can get %d apples\n",rc3);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("there is %d places to put oranges\n",rc1);printf("PUT AN ORANGE!!!\n");V(semid_mutex);V(semid_full2);rc3=semctl(semid_full2,0,GETVAL);printf("son can get %d oranges\n",rc3);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("SUM:%d apples and %d oranges\n",rc2,rc1);printf("there is %d oranges to get \n",rc1);printf("GET AN ORANGE !!!\n");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("SUM:%d apples and %d oranges\n",rc2,rc1);printf("there is %d apples to get \n",rc2);printf("GET AN 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。