簡介西南交通大學(xué)操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報告完整收錄胡曉鵬老師課程的六個實(shí)驗(yàn)涵蓋Linux環(huán)境與Shell命令、C程序編譯調(diào)試、/proc內(nèi)核狀態(tài)觀測、軟中斷通信、進(jìn)程調(diào)度及線程同步等主題適合正在學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)或Linux編程的本科生對照參考。報告基于2020—2021學(xué)年軟件工程專業(yè)真實(shí)作業(yè)評分達(dá)95分不僅給出每次實(shí)驗(yàn)的目的、步驟與總結(jié)還詳細(xì)展示了cd、ls、ps、chmod等命令用法以及vi、gcc、gdb工具鏈操作和cpuinfo、meminfo、loadavg、interrupts等內(nèi)核文件的編程觀測方法。壓縮包內(nèi)共1個docx文檔約1.48MB目錄結(jié)構(gòu)按實(shí)驗(yàn)編號清晰劃分方便直接查閱或借鑒格式。該資源已有401人學(xué)習(xí)對需要完成同類實(shí)驗(yàn)、撰寫實(shí)驗(yàn)報告或理解Linux內(nèi)核抽象的同學(xué)具有較高參考價值可直接作為實(shí)驗(yàn)流程梳理、命令細(xì)節(jié)核對和報告排版范本使用。1. 一份 95 分的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報告從讀懂 Linux 到跑通軟中斷某高校軟件工程專業(yè)的操作系統(tǒng)課設(shè)里有一份評分 95 的實(shí)驗(yàn)報告覆蓋了 Linux 環(huán)境與 C 語言調(diào)試、/proc 文件系統(tǒng)觀測、軟中斷通信、進(jìn)程調(diào)度、線程同步、內(nèi)存管理、系統(tǒng)調(diào)用和缺頁統(tǒng)計(jì)八個實(shí)驗(yàn)。這份報告值得參考的點(diǎn)不在于每個實(shí)驗(yàn)都跑通了而在于它把「代碼演示」和「機(jī)制理解」放在了一起——比如用 Ctrl\ 觸發(fā) SIGQUIT 來觀察父子進(jìn)程的終止順序比如通過 /proc/cpuinfo 和 /proc/meminfo 去對應(yīng)課堂上講的內(nèi)核變量。對于正在做操作系統(tǒng)課設(shè)或準(zhǔn)備 OS 方向面試的人來說這套實(shí)驗(yàn)編排剛好覆蓋了進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、信號機(jī)制、系統(tǒng)調(diào)用四大主線。本文就按這份報告的結(jié)構(gòu)拆開講從環(huán)境準(zhǔn)備到 /proc 觀測再到軟中斷和進(jìn)程調(diào)度最后落到內(nèi)存管理、系統(tǒng)調(diào)用和缺頁統(tǒng)計(jì)并給出驗(yàn)收和答辯的方法。如果你是照著課設(shè)要求逐項(xiàng)做可以直接按這個順序推進(jìn)。2. 實(shí)驗(yàn)環(huán)境準(zhǔn)備Linux 目錄結(jié)構(gòu)、Shell 命令與 gcc/gdb 調(diào)試鏈操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的第一步永遠(yuǎn)是環(huán)境。報告中的實(shí)驗(yàn) 1 花費(fèi)了大量篇幅在「熟悉 Linux 界面與目錄結(jié)構(gòu)」和「在終端里跑通一個 C 程序」上。這一步看起來基礎(chǔ)實(shí)際決定了后面七個實(shí)驗(yàn)?zāi)懿荒茼樌七M(jìn)尤其是 fork、signal 這類依賴進(jìn)程機(jī)制的程序必須在一個能穩(wěn)定運(yùn)行的環(huán)境里調(diào)試。2.1 Linux 目錄結(jié)構(gòu)先搞清楚東西放在哪報告里記錄了一個很直觀的觀察Linux 和 Windows 的目錄組織方式完全不同。Windows 用盤符C:、D:區(qū)分存儲區(qū)域Linux 則是單一根目錄/用正斜杠/分割路徑。初次接觸時容易混淆的點(diǎn)在于/bin存放最常用的命令ls、cp、mv/home是用戶主目錄的根/etc保存系統(tǒng)配置文件/proc是虛擬文件系統(tǒng)運(yùn)行時的內(nèi)核信息都在這里。報告特別標(biāo)注了/proc下的數(shù)字目錄——每個數(shù)字對應(yīng)一個正在運(yùn)行的進(jìn)程 PID里面是進(jìn)程的運(yùn)行時信息。我把這些目錄的用途整理成一張速查表方便對照目錄路徑主要用途實(shí)驗(yàn)中的使用場景/bin常用命令存放處ls、cp、mv的執(zhí)行文件/home用戶主目錄存放實(shí)驗(yàn)代碼文件/proc虛擬文件系統(tǒng)內(nèi)核狀態(tài)接口實(shí)驗(yàn) 1、實(shí)驗(yàn) 7 讀取系統(tǒng)信息/tmp臨時文件編譯中間文件的臨時輸出/lostfound異常關(guān)機(jī)后的文件恢復(fù)區(qū)一般用不到做實(shí)驗(yàn)時一個典型的操作流程是用cd進(jìn)入工作目錄用ls確認(rèn)文件存在用mv重命名文件。報告里提到一個細(xì)節(jié)想修改已編輯好的文件名在終端用mv agrc.c oslab.1.c即可如果用 vim 編輯也可以在保存時用:w new_filename直接另存為新文件。兩個方法都能用前者是 Shell 層的操作后者是編輯器內(nèi)的操作場景不同選擇不同。2.2 Shell 命令與管道重定向不只是敲命令報告在實(shí)驗(yàn) 1 中列出的命令包括cd切換目錄、ls列出文件、ps查看進(jìn)程狀態(tài)、chmod修改權(quán)限以及 redirect重定向和 pipe管道機(jī)制。這里的核心在于Shell 不只是逐條執(zhí)行命令還能通過重定向把輸出寫入文件通過管道把前一個命令的輸出作為后一個命令的輸入。比如ps -ef | grep test就是查看進(jìn)程列表中是否有 test 程序的經(jīng)典組合ls -l filelist.txt則把目錄列表保存到文件里。這兩個機(jī)制在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中頻繁用到——軟中斷實(shí)驗(yàn)里需要觀察進(jìn)程 PID 和父子關(guān)系ps和grep的組合能快速確認(rèn)進(jìn)程是否被正確創(chuàng)建和終止。2.3 gcc 編譯與 gdb 調(diào)試把 C 程序跑起來報告中的實(shí)驗(yàn)流程是用 vim 寫代碼按i進(jìn)入編輯模式寫完按ESC返回一般模式再用:wq保存退出最后用gcc編譯。這里有個常見錯誤初次使用 vim 的人經(jīng)常不知道如何進(jìn)入編輯模式或者按了ESC后直接輸入字符導(dǎo)致命令沖突。報告記錄的步驟把這條路走通了進(jìn)入 vim 后按i、o、a、r中的任一鍵都能進(jìn)入編輯模式ESC返回后:開頭的是命令模式:wq是保存并退出。編譯階段gcc是最直接的編譯器gcc -o test test.c生成可執(zhí)行文件gcc -g test.c -o test帶調(diào)試信息生成。要比較 gcc、gdb、codeblocks 的區(qū)別核心在于 debug 能力gdb 支持設(shè)置斷點(diǎn)、單步執(zhí)行、查看變量值codeblocks 是圖形化 IDE把編譯和調(diào)試集成了但對遠(yuǎn)程環(huán)境如虛擬機(jī)中的 Linux不友好。報告中提到一個血淚經(jīng)驗(yàn)在 Windows 的 IDE 里寫好帶fork()的代碼復(fù)制到 Linux 后報錯——因?yàn)?Windows IDE 默認(rèn)的頭文件和庫不含 POSIX 的fork()。從那以后我的習(xí)慣是涉及進(jìn)程、信號、文件鎖的代碼直接在 Linux 環(huán)境里寫不再跨環(huán)境搬運(yùn)。注意gcc編譯時建議加-Wall參數(shù)查看全部警告。fork 相關(guān)的代碼如果出現(xiàn)隱式聲明警告通常是因?yàn)槿鄙?include unistd.h這是最容易被忽略的問題。2.4 網(wǎng)絡(luò)配置的三種模式與踩坑記錄實(shí)驗(yàn)報告里記錄了一次網(wǎng)絡(luò)故障排查虛擬機(jī)裝好后配置沒問題但網(wǎng)絡(luò)連接一直失敗。排查后定位到是虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)模式選錯了并借此把三種模式學(xué)明白了橋接模式是讓虛擬機(jī)像局域網(wǎng)里的一臺獨(dú)立主機(jī)可以互訪也可以上網(wǎng)但 IP 容易沖突NAT地址轉(zhuǎn)換模式是虛擬機(jī)通過母機(jī)代理訪問外網(wǎng)外部網(wǎng)絡(luò)訪問不到虛擬機(jī)主機(jī)模式host-only則是虛擬機(jī)和宿主機(jī)形成獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)虛擬機(jī)無法訪問互聯(lián)網(wǎng)。最終選擇 NAT 模式既避免 IP 沖突又能上網(wǎng)。這里給初學(xué)者一個建議操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)大多不需要外部網(wǎng)絡(luò)但需要宿主機(jī)與虛擬機(jī)之間傳輸代碼文件。用 NAT 模式配合xftp或scp是最省心的方案如果只有一臺機(jī)器做實(shí)驗(yàn)host-only 也夠用只是不能在線查資料。如果遇到網(wǎng)絡(luò)不通先 ping 網(wǎng)關(guān)再確認(rèn)虛擬網(wǎng)卡是否啟用最后檢查防火墻——三個步驟能排除九成問題。3. /proc 文件系統(tǒng)觀測內(nèi)核變量的黑匣子怎么打開實(shí)驗(yàn) 1 和實(shí)驗(yàn) 7 把重點(diǎn)放在了/proc文件系統(tǒng)上。/proc是 Linux 內(nèi)核向用戶態(tài)暴露狀態(tài)信息的虛擬文件系統(tǒng)讀取它以獲取 CPU 信息、內(nèi)存狀態(tài)、系統(tǒng)負(fù)載、中斷統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)。它之所以重要是因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)課上學(xué)到的很多概念如進(jìn)程狀態(tài)、內(nèi)存分配、系統(tǒng)節(jié)拍都以文件的形式反映在這里且可以隨時查閱。3.1 /proc/cpuinfo、version、stat、uptime 的觀測方法報告中明確給出了用程序觀測的四項(xiàng)內(nèi)容/proc/cpuinfo提供 CPU 型號、核數(shù)、頻率等信息/proc/version顯示內(nèi)核版本號例如 Linux 3.10.0-1160包含內(nèi)核編譯信息/proc/stat保存系統(tǒng)啟動以來的 CPU 統(tǒng)計(jì)和進(jìn)程切換數(shù)據(jù)/proc/uptime返回系統(tǒng)開機(jī)時長。觀測這些文件最簡單的方式是cat /proc/cpuinfo但課程設(shè)計(jì)要求「編程實(shí)現(xiàn)觀測」這就涉及 C 語言的文件讀取操作核心代碼如下#include stdio.h #include string.h int main() { FILE *fp; char line[256]; fp fopen(/proc/version, r); if (fp NULL) { perror(open /proc/version failed); return 1; } while (fgets(line, sizeof(line), fp) ! NULL) { printf(%s, line); } fclose(fp); return 0; }這段代碼本質(zhì)上就是打開文件、逐行讀取、打印。但設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于/proc下的文件是內(nèi)核動態(tài)生成的虛擬文件讀取它不需要特殊權(quán)限部分需要 root但打開失敗時要用perror輸出錯誤原因。如果報No such file or directory說明當(dāng)前系統(tǒng)的內(nèi)核版本不包含該節(jié)點(diǎn)例如/proc/filesystems在部分精簡內(nèi)核中不存在——此時需要檢查內(nèi)核配置而不是改代碼。將fopen的文件路徑換成/proc/cpuinfo、/proc/stat、/proc/uptime即可觀測其余項(xiàng)目。3.2 meminfo、loadavg、interrupts、filesystem 的編程觀測報告要求編程實(shí)現(xiàn)對/proc/meminfo、/proc/loadavg、/proc/interrupts、/proc/filesystems的觀測。這四個文件的含義分別是meminfo描述系統(tǒng)內(nèi)存總量、空閑量、緩存量對應(yīng)課程中的內(nèi)存管理章節(jié)loadavg顯示 1 分鐘、5 分鐘、15 分鐘的平均負(fù)載interrupts記錄各中斷號的發(fā)生次數(shù)對應(yīng)中斷機(jī)制filesystems列出當(dāng)前內(nèi)核支持的文件系統(tǒng)類型。通常的做法是寫一個通用的讀取函數(shù)傳入路徑參數(shù)即可如下所示void show_file(const char *path) { FILE *fp fopen(path, r); char line[256]; if (!fp) { perror(path); return; } while (fgets(line, sizeof(line), fp) ! NULL) { printf(%s, line); } fclose(fp); } int main() { show_file(/proc/meminfo); show_file(/proc/loadavg); show_file(/proc/interrupts); show_file(/proc/filesystems); return 0; }這里有一個容易忽略的點(diǎn)/proc文件是偽文件讀取時fseek、rewind等操作沒有實(shí)際意義每次讀取都是內(nèi)核實(shí)時生成的快照。所以不要在代碼里做「定位到文件末尾再讀回開頭」的操作直接順序讀取即可。3.3 從 jiffies 理解內(nèi)核時間基準(zhǔn)報告在實(shí)驗(yàn)總結(jié)中記錄了一個有意思的思考為什么 Linux 的時間統(tǒng)計(jì)是基于「節(jié)拍」而不是「秒」答案是內(nèi)核使用jiffies作為全局時間基準(zhǔn)——內(nèi)核每過一個節(jié)拍通常 1/250 秒或 1/100 秒jiffies加 1。開機(jī)時內(nèi)核讀取 RTC 硬件獲取基準(zhǔn)時間再換算成對應(yīng)的jiffies值減去 1970-01-01 UTC 的時間差。/proc/uptime中的數(shù)值就是基于jiffies換算出來的。這個知識點(diǎn)在今年的面試和課程答辯中經(jīng)常出現(xiàn)為什么 uptime 是浮點(diǎn)數(shù)為什么 loadavg 有三個值如果只答「記錄系統(tǒng)啟動時長」就太淺了。能說出jiffies的遞增機(jī)制和系統(tǒng)節(jié)拍HZ的配置才算是真正理解了內(nèi)核時間系統(tǒng)。報告中這部分屬于加分項(xiàng)建議在答辯時主動提。4. 軟中斷通信實(shí)驗(yàn)信號機(jī)制與進(jìn)程終止順序軟中斷通信是這份報告中代碼量最大、也最值得細(xì)讀的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)要求用信號如 SIGQUIT、SIGUSR1實(shí)現(xiàn)父子進(jìn)程間的通信并觀察終止順序。核心是理解三件事fork()創(chuàng)建子進(jìn)程后的父子關(guān)系、signal()注冊信號處理函數(shù)、kill()發(fā)送信號。4.1 實(shí)驗(yàn)一一個父進(jìn)程創(chuàng)建兩個子進(jìn)程用 Ctrl\ 終止流程是這樣的父進(jìn)程創(chuàng)建兩個子進(jìn)程 P1 和 P2父進(jìn)程調(diào)用signal(SIGQUIT, stop)注冊信號處理函數(shù)然后進(jìn)入waiting()忙等待用戶在終端按Ctrl\發(fā)送 SIGQUIT父進(jìn)程收到信號后執(zhí)行stop()將wait_mark置 0退出等待隨后向 P1 發(fā)信號 16、向 P2 發(fā)信號 17兩個子進(jìn)程收到信號后打印結(jié)束信息并退出父進(jìn)程最后wait(0)回收子進(jìn)程并退出。核心代碼節(jié)選void waiting() { while (wait_mark ! 0); } void stop() { wait_mark 0; } int main() { int p1, p2; while ((p1 fork()) -1); // 創(chuàng)建第一個子進(jìn)程 sleep(1); if (p1 0) { // 父進(jìn)程分支 printf(parent process is %d \n, getpid()); while ((p2 fork()) -1); // 創(chuàng)建第二個子進(jìn)程 if (p2 0) { wait_mark 1; signal(SIGQUIT, stop); waiting(); kill(p1, 16); // 向子進(jìn)程 P1 發(fā)信號 16 kill(p2, 17); // 向子進(jìn)程 P2 發(fā)信號 17 wait(0); wait(0); printf(\n parent process %d is killed!\n, getpid()); exit(0); } else { // 子進(jìn)程 P2 分支 printf(child P2 process %d is created by %d \n, getpid(), getppid()); signal(SIGQUIT, SIG_IGN); wait_mark 1; signal(17, stop); waiting(); lockf(1, 1, 0); printf(\n child P2 process %d is killed by parent %d , getpid(), getppid()); lockf(1, 0, 0); } } else { // 子進(jìn)程 P1 分支 printf(child P1 process %d is created by %d \n, getpid(), getppid()); signal(SIGQUIT, SIG_IGN); wait_mark 1; signal(16, stop); waiting(); lockf(1, 1, 0); printf(\n child P1 process %d is killed by parent %d , getpid(), getppid()); lockf(1, 0, 0); } return 0; }代碼的設(shè)計(jì)說明fork()返回 0 表示當(dāng)前是子進(jìn)程返回大于 0 的值是子進(jìn)程 PID對父進(jìn)程而言。父進(jìn)程先通過fork()創(chuàng)建 P1sleep(1)確保 P1 完成初始化再創(chuàng)建 P2。為什么 P1 和 P2 要用不同的信號編號16 和 17因?yàn)檫@樣每個子進(jìn)程只響應(yīng)屬于自己的信號避免歧義這對應(yīng)了「軟中斷信號用于進(jìn)程間通信」的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。lockf(1, 1, 0)的作用是加鎖標(biāo)準(zhǔn)輸出防止兩個子進(jìn)程同時往終端打印時輸出交錯這在并發(fā)編程里是一個典型問題——不加鎖printf 的輸出可能互相穿插。4.2 實(shí)驗(yàn)二父、子、孫三級進(jìn)程的依次終止實(shí)驗(yàn)二不同于實(shí)驗(yàn)一的「一父兩子」結(jié)構(gòu)而是父進(jìn)程 → 子進(jìn)程 → 孫進(jìn)程的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。流程是父進(jìn)程創(chuàng)建子進(jìn)程 P1P1 再創(chuàng)建孫進(jìn)程 P2按 Ctrl\ 后父進(jìn)程向 P1 發(fā)信號P1 向 P2 發(fā)信號依次終止孫、子、父。進(jìn)程樹形結(jié)構(gòu)中的終止順序是先殺最深的再殺中間的最后殺根部的。int main() { int p1, p2; while ((p1 fork()) -1); if (p1 0) { // 父進(jìn)程 wait_mark 1; signal(SIGQUIT, stop); waiting(); kill(p1, 16); wait(0); printf(\n parent process is killed \n); exit(0); } else { // 子進(jìn)程 while ((p1 fork()) -1); // 創(chuàng)建孫進(jìn)程 if (p1 0) { // 子進(jìn)程分支 printf(child P1 process %d is created by the parent %d \n, getpid(), getppid()); signal(SIGQUIT, SIG_IGN); wait_mark 1; signal(16, stop); waiting(); kill(p1, 16); wait(0); printf(\n child P1 process %d is killed by parent %d \n, getpid(), getppid()); exit(0); } else if (p1 0) { // 孫進(jìn)程分支 printf(grandson process %d is created by the parent %d \n, getpid(), getppid()); signal(SIGQUIT, SIG_IGN); wait_mark 1; signal(16, stop); waiting(); printf(\n grandson process %d is killed by parent %d \n, getpid(), getppid()); exit(0); } } return 0; }這段代碼的邏輯層次很清晰但要注意一個隱蔽的問題子進(jìn)程和孫進(jìn)程都注冊了信號 16 的處理函數(shù)這意味著如果父進(jìn)程誤發(fā)了兩次信號 16孫進(jìn)程和子進(jìn)程可能同時退出破壞層級順序。所以實(shí)驗(yàn)二的運(yùn)行結(jié)果中「先孫再子」的順序依賴代碼執(zhí)行路徑而不是信號優(yōu)先級——父進(jìn)程是在wait(0)等子進(jìn)程結(jié)束后才 print 自己的結(jié)束信息子進(jìn)程是在wait(0)等孫進(jìn)程結(jié)束后才 print 自己的結(jié)束信息這是一個隱式的順序控制。4.3 避坑指南軟中斷實(shí)驗(yàn)中容易翻車的四個問題1. 現(xiàn)象fork()在編譯時報錯提示隱式聲明。原因源文件缺少#include unistd.h部分舊代碼還依賴#include sys/types.h。解決在文件頭部補(bǔ)全頭文件不要省略unistd.h如果用了wait()還要加#include sys/wait.h。2. 現(xiàn)象程序運(yùn)行后按 Ctrl\ 沒有反應(yīng)。原因SIGQUIT的信號處理函數(shù)沒有正確注冊或者進(jìn)程處于后臺運(yùn)行狀態(tài)nohup 方式啟動。解決確認(rèn)用signal(SIGQUIT, stop)注冊了處理函數(shù)而不是SIG_IGN確認(rèn)程序在前臺運(yùn)行Ctrl\只對前臺進(jìn)程的終端有效。3. 現(xiàn)象父子進(jìn)程的 printf 輸出交叉混亂。原因多個進(jìn)程同時搶占標(biāo)準(zhǔn)輸出沒有互斥。解決用lockf(1, 1, 0)加鎖標(biāo)準(zhǔn)輸出打印完再lockf(1, 0, 0)解鎖。這個方法比printf前的sleep更可靠。4. 現(xiàn)象父進(jìn)程 wait(0) 返回后子進(jìn)程仍未退出。原因kill(p1, 16)發(fā)送信號后子進(jìn)程可能還在waiting()忙等待中沒有及時被調(diào)度。解決在信號處理函數(shù)里將wait_mark置 0 是不夠的還要確保子進(jìn)程收到信號后能退出waiting()循環(huán)——這里的關(guān)鍵是signal(16, stop)注冊的處理函數(shù)確實(shí)被執(zhí)行?？梢杂胹leep(1)或waitpid()替代忙等待使時序更穩(wěn)定。5. 進(jìn)程調(diào)度、線程同步、內(nèi)存管理與系統(tǒng)調(diào)用從模擬到真實(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn) 3 到實(shí)驗(yàn) 6 的內(nèi)容覆蓋了操作系統(tǒng)的幾個核心主題進(jìn)程調(diào)度策略、線程同步、內(nèi)存管理和系統(tǒng)調(diào)用。報告中記錄了 FCFS 與 RR 調(diào)度策略的驗(yàn)證、線程同步實(shí)驗(yàn)、內(nèi)存管理的代碼與結(jié)果解讀、以及系統(tǒng)調(diào)用的具體實(shí)現(xiàn)步驟。5.1 進(jìn)程調(diào)度實(shí)驗(yàn)FCFS 與 RR 的工程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 3 要求創(chuàng)建工程并驗(yàn)證 FCFS先來先服務(wù)和 RR時間片輪轉(zhuǎn)策略。FCFS 的核心指標(biāo)是等待時間先到達(dá)的進(jìn)程先執(zhí)行短作業(yè)可能排隊(duì)很久RR 的核心是時間片每個進(jìn)程運(yùn)行一個時間片后輪轉(zhuǎn)到下一個。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時需要構(gòu)造一組進(jìn)程分別記錄到達(dá)時間、服務(wù)時間、完成時間和周轉(zhuǎn)時間并用表格匯總。建議的驗(yàn)證方式用結(jié)構(gòu)體數(shù)組保存進(jìn)程控制塊模擬調(diào)度過程。typedef struct { int pid; // 進(jìn)程號 int arrive_time; // 到達(dá)時間 int service_time; // 服務(wù)時間 int finish_time; // 完成時間 int remain_time; // 剩余時間RR 用 } pcb;FCFS 的實(shí)現(xiàn)就是遍歷進(jìn)程數(shù)組按到達(dá)時間排序后依次執(zhí)行RR 的實(shí)現(xiàn)需要維護(hù)一個就緒隊(duì)列每次執(zhí)行一個時間片如 2 個單位時間片結(jié)束后判斷剩余時間是否為 0。報告中的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是FCFS 的平均周轉(zhuǎn)時間通常高于 RR但 RR 的響應(yīng)時間更短如果進(jìn)程的服務(wù)時間差異很大RR 的時間片要選得合理太小則上下文切換開銷大太大則退化為 FCFS。答辯時把這個權(quán)衡講清楚比背概念有用得多。5.2 線程同步實(shí)驗(yàn)鎖、信號量與條件變量實(shí)驗(yàn) 4 的線程同步實(shí)驗(yàn)報告沒有詳細(xì)列出代碼但通常的做法是經(jīng)典的「生產(chǎn)者-消費(fèi)者」或「讀者-寫者」模型。用pthread_mutex_t保護(hù)共享資源用pthread_cond_t實(shí)現(xiàn)條件等待#include pthread.h pthread_mutex_t mutex PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; pthread_cond_t cond PTHREAD_COND_INITIALIZER; int buffer[10]; int count 0; void *producer(void *arg) { pthread_mutex_lock(mutex); while (count 10) { pthread_cond_wait(cond, mutex); } buffer[count] 1; pthread_cond_signal(cond); pthread_mutex_unlock(mutex); return NULL; }這個代碼的兩個關(guān)鍵點(diǎn)pthread_cond_wait必須放在 while 循環(huán)里而不是 if 里——因?yàn)榭赡艽嬖谔摷賳拘裵thread_cond_signal和pthread_mutex_unlock的順序會影響喚醒后線程的調(diào)度效率。如果忘記解鎖或者忘記加鎖程序可能死鎖或數(shù)據(jù)競爭這類問題用valgrind --toolhelgrind可以檢測但最好的辦法是寫代碼時就把「加鎖-操作-解鎖」的邊界畫清楚。5.3 內(nèi)存管理實(shí)驗(yàn)頁面置換與缺頁統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn) 5 的內(nèi)容是內(nèi)存管理重點(diǎn)是頁面置換算法。報告給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示和結(jié)果解讀但沒有把代碼全部貼出來。常見的設(shè)計(jì)是模擬 FIFO、LRU、OPT 三種算法統(tǒng)計(jì)各自的缺頁次數(shù)。報告中實(shí)驗(yàn) 7 的「系統(tǒng)缺頁次數(shù)統(tǒng)計(jì)」實(shí)際就是在真實(shí)系統(tǒng)中觀測缺頁行為通過讀取/proc/vmstat中的pgfault字段來統(tǒng)計(jì)缺頁次數(shù)或者通過ps -o minflt,majflt查看某個進(jìn)程的缺頁計(jì)數(shù)。一個實(shí)際可用的思路在 C 程序中分配一大塊內(nèi)存并循環(huán)訪問在訪問前后分別讀取/proc/vmstat的缺頁計(jì)數(shù)值差值就是觸發(fā)的新缺頁數(shù)#include stdio.h #include stdlib.h #include string.h int main() { unsigned long before, after; FILE *fp; int size 100 * 1024 * 1024; // 100MB char *buf malloc(size); fp fopen(/proc/vmstat, r); // 讀取 pgfault 字段存入 before fclose(fp); memset(buf, 1, size); // 觸發(fā)大量缺頁 fp fopen(/proc/vmstat, r); // 讀取 pgfault 字段存入 after fclose(fp); printf(page faults: %lu\n, after - before); free(buf); return 0; }這里的設(shè)計(jì)說明memset一個 100MB 的緩沖區(qū)如果系統(tǒng)內(nèi)存緊張會產(chǎn)生大量主缺頁major fault和次缺頁minor fault。實(shí)際操作中建議把before和after的讀取封裝成函數(shù)避免代碼重復(fù)。5.4 系統(tǒng)調(diào)用實(shí)驗(yàn)從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的通道實(shí)驗(yàn) 6 的系統(tǒng)調(diào)用實(shí)驗(yàn)報告中的核心是編寫用戶態(tài)程序調(diào)用syscall或直接調(diào)用open、read、write等 API運(yùn)行后觀察程序的系統(tǒng)調(diào)用軌跡。通常的做法是用strace追蹤strace -c ./test_program會統(tǒng)計(jì)每個系統(tǒng)調(diào)用的次數(shù)、耗時和錯誤數(shù)。這在實(shí)驗(yàn)報告中是加分項(xiàng)因?yàn)槟苤庇^展示read、write、mmap、futex這些系統(tǒng)調(diào)用的真實(shí)行為。如果課程要求新增一個系統(tǒng)調(diào)用部分高校的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是給內(nèi)核添加一個系統(tǒng)調(diào)用通常的做法是修改系統(tǒng)調(diào)用號表、添加內(nèi)核函數(shù)實(shí)現(xiàn)、重新編譯內(nèi)核。這個操作復(fù)雜且危險可能導(dǎo)致系統(tǒng)起不來建議在虛擬機(jī)里做并做好快照。報告中的實(shí)驗(yàn) 6 沒有走這么深停留在用戶態(tài)調(diào)用層面但如果你能在答辯中說出strace的結(jié)果含義就已經(jīng)超過了大多數(shù)同學(xué)。6. 報告驗(yàn)收與答辯如何把 95 分實(shí)驗(yàn)講成自己的東西實(shí)驗(yàn)報告的驗(yàn)收通常分兩部分文檔審查和現(xiàn)場答辯。文檔審查看的是格式規(guī)范、實(shí)驗(yàn)步驟完整性、實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否有截圖、代碼是否可復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場答辯看的是隨機(jī)抽查的某個實(shí)驗(yàn)的核心機(jī)制。根據(jù)這份報告的經(jīng)驗(yàn)我把驗(yàn)收作答的要點(diǎn)整理成一張核對表檢查項(xiàng)合格標(biāo)準(zhǔn)常見扣分點(diǎn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康拿鞔_列出本次實(shí)驗(yàn)要理解什么概念從網(wǎng)上抄一段「了解 Linux」就算完實(shí)驗(yàn)步驟能復(fù)現(xiàn)命令和代碼對應(yīng)只有代碼沒有運(yùn)行步驟實(shí)驗(yàn)結(jié)果截圖或輸出且有解讀貼了圖但沒解釋為什么是這個輸出實(shí)驗(yàn)總結(jié)記錄遇到的問題和解決辦法直接跳過或抄教材原文答辯時最容易翻車的兩個問題一是「這個程序如果去掉 sleep(1) 會怎樣」二是「為什么用信號 16 而不是 SIGUSR1」。前者考察對并發(fā)時序的理解——去掉sleep(1)后父進(jìn)程可能在子進(jìn)程完成初始化前就fork()第二個子進(jìn)程導(dǎo)致進(jìn)程關(guān)系錯亂后者考察對 Linux 信號編號的掌握——SIGUSR1 在部分架構(gòu)上是信號 10SIGUSR2 是信號 12但代碼中選擇 16 和 17 屬于自定義信號需要確保內(nèi)核支持。這個問題的回答思路是信號編號對應(yīng)關(guān)系依賴平臺課程實(shí)驗(yàn)中固定使用 16 和 17 是為了簡單明確但實(shí)際工程中建議使用SIGUSR1并配合sigaction()注冊這樣可讀性和可移植性都更好。此外答辯時有一個實(shí)用技巧提前準(zhǔn)備 3 個「為什么」。比如軟中斷實(shí)驗(yàn)的代碼里為什么要用wait_mark忙等待而不直接pause()因?yàn)槊Φ却恍枰~外引入信號邏輯直觀但 CPU 空轉(zhuǎn)如果換成pause()可以讓出 CPU但需要處理「信號到達(dá)時進(jìn)程處于可中斷睡眠」的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。你能主動說出這個權(quán)衡說明不是只抄了代碼而是真正理解了設(shè)計(jì)取舍。提示如果被問到「實(shí)驗(yàn)結(jié)果和預(yù)期不一致怎么辦」不要慌張。先把實(shí)際輸出貼出來指出哪一步和預(yù)期不同然后給出排查方向——多數(shù)情況是wait()回收順序問題或信號編號沖突。從那以后我每次做完實(shí)驗(yàn)都會強(qiáng)制自己走一遍「去掉一個關(guān)鍵代碼再跑一次」的流程。比如軟中斷實(shí)驗(yàn)去掉lockf觀察輸出是否錯亂調(diào)度實(shí)驗(yàn)把時間片改成 1觀察周轉(zhuǎn)時間變化。這樣做的好處是任何「為什么這樣寫」的問題都能用自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來回答而不是背答案。希望幫到你。本文還有配套的精品資源點(diǎn)擊獲取