UNIX系統(tǒng)程序設(shè)計實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)（頁）

1、實(shí)驗(yàn)一實(shí)現(xiàn)帶參數(shù)的簡單shell實(shí)驗(yàn)一利用課本第9頁程序1-5的框架，實(shí)現(xiàn)允許輸入命令帶參數(shù)的簡單shello 原來的實(shí)現(xiàn)是不能夠帶參數(shù)的。輸入命令所能帶的參數(shù)個數(shù)，只受到系統(tǒng)鍵盤輸 入緩沖區(qū)長度(以及shell輸入緩沖區(qū)長度)的限制，該緩沖區(qū)的缺省長度是4096 個字節(jié)。實(shí)現(xiàn)時要解決的主要問題有：1. 正確理解并使用系統(tǒng)調(diào)用fork(), execve()和waitpid(),特別是execve()函數(shù)。 fork()函數(shù)創(chuàng)建一個新的進(jìn)程。新進(jìn)程就是所謂的子進(jìn)程，它是執(zhí)行fork()函數(shù)的 進(jìn)程(父進(jìn)程)的“克隆”，也就是說，子進(jìn)程執(zhí)行的程序與父進(jìn)程的完全一-樣。 當(dāng)fork()函數(shù)返回值為

2、0時表示處于子進(jìn)程中；而返回值大于0時表示處于父進(jìn) 程中，此時的返回值是了進(jìn)程的進(jìn)程ido因此，fork()的返回值可以用來劃分僅 僅適合父進(jìn)程和子進(jìn)程執(zhí)行的程序段。fork()函數(shù)返回值為1時表示岀錯。如果子進(jìn)程只是運(yùn)行與父進(jìn)程完全-樣的程序，那用處是很有限的。要讓子進(jìn)程 運(yùn)行不同于父進(jìn)程的程序，就必須調(diào)用execve函數(shù)，它是所冇其他exec函數(shù)的 基礎(chǔ)。execve函數(shù)把調(diào)用它的進(jìn)程的程序，替換成execve函數(shù)的參數(shù)所指定的 程序。運(yùn)行execve函數(shù)成功后，進(jìn)程將開始運(yùn)行新的程序，也就是execve函數(shù) 的參數(shù)所指定的程序。execve 函數(shù)原型：int execve(const c

3、har * path, const char *argvf,const char * envpf); 其中：path：要執(zhí)行的程序路徑名，比如“/bin/ls”，“cd”，“/usr/bin/gcc”等等。argv：參數(shù)表，比如is命令屮可帶的命令行參數(shù)等。注意，argv的第一個元 素必須是要執(zhí)行的程序(命令)的路徑名。envp：環(huán)境變量表，供要執(zhí)彳亍的命令使用。實(shí)參數(shù)用null或系統(tǒng)環(huán)境變量environ 均口j。注意，因?yàn)閑nviron由系統(tǒng)提供，屬于外部變量，所以說明時必須用“extern” 修飾。例子：char *argv = “gcc", “g", “hello.

4、c", null;char *argvl = “/bin/ls",null;execve(t7usr/bin/gcc, argv, environ); / 編譯程序"hello.c” execve(4t/bin/ls, argvl, null); / 執(zhí)行命令 “is 1 a” execvec7usr/ls”, argvl, null); 出錯，因?yàn)槟夸?usr/下沒有 is 程序。注意，在argvl的第一個字符串“/bin/ls”中，只有is是有用的。系統(tǒng)調(diào)用waitpid()用于等待子進(jìn)程結(jié)束、獲取子進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)，詳細(xì)說明在第 八章。木實(shí)驗(yàn)僅僅用它使父進(jìn)程等

5、待了進(jìn)程結(jié)束，因此維持程序1-5的用法即可。2. 根據(jù)簡單shell的輸入，構(gòu)造execve函數(shù)的參數(shù)。根據(jù)程序15,數(shù)組buf保存用戶的輸入，包括命令和參數(shù)。由于shell命令的命 令名和各參數(shù)之間是用空格分開，因此可以用空格作為分界符。通過一個循環(huán)可 以把buf數(shù)組中的命令和各個參數(shù)依次分離開來，并賦給數(shù)組argv的各元素適當(dāng) 的指針值。argv數(shù)組的最后個指針必須是null。接著就可以調(diào)用 execve(argv0,argv, environ)來執(zhí)行用廣1輸入的命令。捉示：argv數(shù)組中各指針?biāo)赶虻淖址?，可以直接利用buf的存儲空間，不需 要另外分配內(nèi)存。3. 正確編譯程序。曲于書中

6、例子用到了本書第一版中作者自己定義的error.c文件，因此編譯吋要記 得把error.c文件和源代碼文件一起編譯，error.c文件可以到cs8的 /home/luwei/common目錄下復(fù)制?？梢杂萌绮访罹幾g：gcc v源文件名error.c - ov可執(zhí)行文件名實(shí)驗(yàn)二 同步與異步write的效率比較1、程序的參數(shù)和輸入實(shí)驗(yàn)要求程序必須指定輸出的文件名，而該文件是否按同步方式打開，則是可以 選擇的。因此程序至少帶一個、至多兩個輸入?yún)?shù)。程序默認(rèn)從標(biāo)準(zhǔn)輸入 stdin_filen0讀取輸入文件，可以利用shell的輸入定向功能選擇具體的輸入 文件。2、系統(tǒng)調(diào)用times()的說明#inc

7、lude <sys/times.h>clock_t times(struct tms *buf);struct tms clock_t tms_utime; /*記錄進(jìn)程除系統(tǒng)調(diào)用外所使用的cpu時間*/ clock_t tms_stime; /*記錄進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用所使用的cpu時間*/ clock_t tms_cutime; /*記錄子進(jìn)程除系統(tǒng)調(diào)用外所使用的cpu時間*/ clock_t tms_cstime; /*記錄子進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用所使用的cpu時間*/ ； times函數(shù)的返回值是進(jìn)程迄今為止的存活時間。所冇時間都是以“滴答”為單 位的，函數(shù)sysconf(_sc_clk

8、_tck)可獲得所運(yùn)行系統(tǒng)每秒的滴答數(shù)(參考課木 p33)。3、計算write耗費(fèi)的吋間為了準(zhǔn)確計算write耗費(fèi)的時間，很重要的就是要避免將read的時間計入，因?yàn)?i/o操作的時間通常是毫秒級的，不可以忽略。一種有效的方法是，設(shè)置一個與 輸入文件長度相同的緩沖區(qū)，一次性地將輸入文件讀入緩沖區(qū)，而后就不必再讀 輸入文件。這樣就可以有效避免計入read的時間。有同學(xué)可能會問，難道可以在內(nèi)存中創(chuàng)建一個幾十上百兆乃至上g的緩沖區(qū)嗎？ 回答是沒問題！因?yàn)槲覀兯\(yùn)行的操作系統(tǒng)系統(tǒng)具有虛擬存儲管理功能。設(shè)置輸入緩沖區(qū)時需要知道輸入文件的長度。除了使用系統(tǒng)調(diào)用suit外，更簡單 的方法是利用lseek的返

9、冋值來獲取文件的長度。在按每一個給定大小的輸出緩沖區(qū)計算寫文件時間時，應(yīng)當(dāng)在開始寫之前調(diào)用 times。，記錄下開始吋間，然后在整個輸入緩沖區(qū)都復(fù)制到輸出文件之后，再調(diào) 用times(),兩次調(diào)用times()的時間間隔，就是在這個給定大小的輸出緩沖區(qū)的 限制卜，復(fù)制整個輸入文件所耗費(fèi)的寫時間。至于在每一次寫的時候所執(zhí)行的其 他語句，它們相較于i/o操作，所花費(fèi)的時間極小，可以忽略不計。注意，在開始按一個給定大小的輸出緩沖區(qū)復(fù)制輸入文件吋，應(yīng)當(dāng)先將輸出文件 的寫位置復(fù)位到輸出文件的開頭(這意味著不能以o-append方式打開輸出文 件)?？梢允褂胠seek做到這一點(diǎn)，以避免多次打開、關(guān)閉輸出文

10、件。實(shí)驗(yàn)三目錄樹的遍歷實(shí)驗(yàn)三主要以課本99-102頁程序47為框架，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展。需要 注意的問題主要有：1. 正確理解程序47。程序47遞歸降序遍歷口錄層次結(jié)構(gòu)，并按照文件類型進(jìn) 行計數(shù)。主要涉及到三個函數(shù)，ftw4(), dopath()和myfunc()o ftw4()函數(shù)以所 帶參數(shù)pathname為要遍歷的起始目錄，計算出該目錄下各種不同類型的文件 的個數(shù)和所占百分比，并顯示出來。它調(diào)用了另外兩個函數(shù)，一個是dopath() 函數(shù)，這是一個遞歸函數(shù)，對指定的起始目錄下的毎個目錄項(xiàng)，按深度優(yōu)先 進(jìn)行遍歷；而對所訪問的節(jié)點(diǎn)，則調(diào)用myfunc()進(jìn)行處理。main函數(shù)輸擊統(tǒng) 計結(jié)果

11、。三個函數(shù)的參數(shù)含義如下：(1) myftw(char* pathname, myfunc* func); pathname給出指要遍丿力開始的目錄。func是myfunc類型的函數(shù)指針，定義訪問的實(shí)際操作。(2) dopath(myfunc* func)；參考第一個函數(shù)(3) int myfunc(const char * pathname,const struct stat *statptr,int type)； pathname指向當(dāng)前訪問節(jié)點(diǎn)的路徑名。statptr指向當(dāng)前訪問節(jié)點(diǎn)的i節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)保存有許多該文件的 信息。type給出當(dāng)前訪問節(jié)點(diǎn)的類型，在實(shí)驗(yàn)中可以自己定義它的涵

12、義。 myfunc()的返回值通常是0,實(shí)際上在程序4-7中它的值總是0。但是在 dopath()函數(shù)屮，myfimc()的返回值非0意味著終止遍歷。另外，程序47中用到課本23中的函數(shù)path_alloc(),用于分配存放路徑名 的內(nèi)存空間。2. 實(shí)驗(yàn)三要求根據(jù)用戶輸入的命令行選項(xiàng)的不同，來實(shí)現(xiàn)三種功能：(1) argc為2時，命令格式為myfind <pathname>它除了實(shí)現(xiàn)程序47功能外，還要統(tǒng)計出，在常規(guī)文件屮，文件長度不大于4096字節(jié)的常規(guī)文件，在所冇允許訪問的普通文件屮所占的百 分比。程序也不允許打印出任何路徑名。這個功能實(shí)現(xiàn)比較簡單，只要 略加修改myfunc(

13、)和main()這兩個函數(shù)就可以了。(2) argc為4且argv2= “comp"時,命令格式為myfind <pathname> comp <filename>它的功能是，輸出在<pathname>目錄子樹之下，所有與vfilename文件 內(nèi)容一致的文件的絕對路徑名。不允許輸出任何其它的路徑名，包括不 可訪問的路徑名。為提高程序效率，在比較文件是否相同時，可先比較 兩個文件的大小，如果大小不同，則內(nèi)容肯定不同，這樣就免去了讀文 件所浪費(fèi)的時間；如果大小相同，則再通過讀文件進(jìn)行比較。此時應(yīng)當(dāng) 注意輸入緩沖區(qū)不必開的太大，你可以從實(shí)驗(yàn)二得到啟發(fā)。

14、由于要求輸 出符合要求的文件的絕對路徑名，因此當(dāng)參數(shù)pathname不是絕對路徑 時，要調(diào)用getcwd()等函數(shù)來取得文件的絕對路徑名。(3) argc大于等于4且argv2 = 6<-name,?時，命令格式為myfind <pathname> -name <str>.vsu>是一個以空格分隔的文件名序列(不帶目錄)。命令輸出在 <pathname> 口錄子樹之下，所有與vstr>序列屮文件名相同的文件的絕 對路徑名。不允許輸出不可訪問的或無關(guān)的路徑名。實(shí)現(xiàn)方法可以通過 循環(huán)，把當(dāng)前遍歷的文件名和vsti>這個序列中的文件名進(jìn)行比

15、較，如杲 和序列屮的一個文件名相同，就符合條件，此時輸岀符合條件的文件的 絕對路徑名。3. 在實(shí)現(xiàn)上述三種功能吋，主要是通過實(shí)現(xiàn)三個不同的myfunco來完成的。第 一個功能只須對myfunc()略加修改即口j。而第二個和第三個功能，則需要分別定 義另外兩個函數(shù)，不妨分別稱做myfunc2()和myfunc3(),去完成指定的功能。至 于dopath()函數(shù)則基本不必修改，因?yàn)樗皇前瓷疃葍?yōu)先完成對目錄樹的遍丿力， 這是一種“標(biāo)準(zhǔn)”操作。而遍歷時對節(jié)點(diǎn)(即文件或目錄)的操作(所謂的“訪 問”)則是由具體參數(shù)func()決定的。不過，如果你覺得程序輸出的絕對路徑名 因?yàn)楹小啊倍粔蛎烙^，則也可

16、以對dopath()函數(shù)略做修改來糾正這個缺欠。實(shí)驗(yàn)四模擬“五個哲學(xué)家”問題該實(shí)驗(yàn)的要點(diǎn)是，解決并發(fā)環(huán)境下，多進(jìn)程z間的同步與互斥問題。進(jìn)程 間的同步互斥必然涉及進(jìn)程間的通信(信息交換)。但是進(jìn)程的內(nèi)存空間是彼此 隔離的，因此它們之間的通信只能通過如下手段：ipc機(jī)制、管道、信號或文件。 就目前所學(xué)知識和實(shí)驗(yàn)要求而言，使用文件是可行的，有關(guān)方法見目錄"common" 下的文件“ lock.h” 和 “l(fā)ock.c”。由于程序要生成多個進(jìn)程，因此述要對作業(yè)控制的機(jī)制冇所了解，這部分 內(nèi)容請參考第九章。如在課堂上所說的，如果哲學(xué)家中同時存在左撇子和右撇子，則哲學(xué)家問 題有解。模

17、擬程序的框架如下所示，其中，函數(shù)lock()和unlock()的定義見前面 所說的文件。定義5個文件,分別表示5個叉子。其文件名可以按如下方式說明: static char* forks5 = “forko“，“forkl“, ufork2u, “fork3“, “fork4“;哲學(xué)家的行為可以用如下函數(shù)描述:void philosopher(int i)while(l) thinking(i, nsecs); takefork (i); eating(i, nsecs); putfork(i);/哲學(xué)家i思考nsecs秒/哲學(xué)家i拿起叉子/哲學(xué)家i進(jìn)餐nsecs秒/哲學(xué)家i放下叉子在主程序里

18、,可以用下面的程序段生成5個哲學(xué)家進(jìn)程:#define n 5for(i = 0; i < n; i+) pid = fork(); if( pid = 0 ) philosopher(i)； wait(null); /*注意，如果父進(jìn)程不等待子進(jìn)程的結(jié)束，那么需要終止程序 運(yùn)行時，就只能從控制臺刪除在后臺運(yùn)行的哲學(xué)家進(jìn)程*/拿起叉子可以如此定義: void takefork(i)if( i = n 1 ) lock( forks0); lock( forksi);else lock( forki); lock( forkfi + 1);放下叉子可以如此定義: void putfork(

19、i)if( i = n 1 ) unlock( forksfo); unlock( forksi);else unlock( forki); unlock( forkfi + 1);實(shí)驗(yàn)五信號處理本實(shí)驗(yàn)要求利用可靠信號機(jī)制解決信號處理時可能出現(xiàn)的時間窗口，以及非 局部轉(zhuǎn)移等問題，將學(xué)習(xí)使用 sigaction, alarm, sigpending, sigsetjmp 和 siglongjmp 等函數(shù)解決在處理信號時遇到的問題。一個方便的開始:在程序清單1-8的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改?？梢灾苯永孟到y(tǒng)shell（在cs8是bash）： execl（'7bin/sh", “sh&quo

20、t;, buf, （char *） 0）;這樣程序sigtest就具有系統(tǒng)shell的全部功能。如果命令帶選項(xiàng)，則在創(chuàng)建 執(zhí)行上面函數(shù)的子進(jìn)程之前，必須設(shè)置鬧鐘；在子進(jìn)程結(jié)束之后，必須將鬧鐘清 零。需要處理的信號:因?yàn)樾枰褂敏[釗a所以實(shí)驗(yàn)需要處理兩個信號：sigalrm和sigquit。 如果當(dāng)前程序正在執(zhí)行用戶命令，則信號處理函數(shù)必須“殺死”用戶命令進(jìn)程： kill（pid, sigkill）; / pid 為用戶命令進(jìn)程的 id對于信號sigquit述冇一種可能：正在接收用戶輸入的命令串。此時需要 放弄當(dāng)前輸入，重新開始接收輸入。解決方法可能需要使用非局部轉(zhuǎn)移機(jī)制。信號sigalrm和s

21、1gqu1t之間嵌套關(guān)系的處理如果這兩個信號同時發(fā)生，或者在處理信號sigalrm時產(chǎn)生信號sigquit （或者反過來），那么應(yīng)當(dāng)如何處理？無論如何，如果同時存在多個未決信號， 系統(tǒng)總是一個信號處理完了，再處理下一個信號，但是在處理完全部未決信號之 前，不會返回被屮斷的函數(shù)或系統(tǒng)調(diào)用。因此合理的處理方法是，無論上述兩個信號哪個先處理,另一個未決信號就 應(yīng)該忽略（清除未決信號）;在處理其中一個信號時,屏蔽另_個信號（如果發(fā) 生,就是未決信號）。static volatile pid_t pid; 全局變量，存放執(zhí)行用戶命令的子進(jìn)程的id,/非0表正在執(zhí)行用戶命令設(shè)置信號sigalrm處理方式的

22、代碼(供參考)：struct sigaction act, oact;act.sa_handler = func; / 信號 sigalrm 的處理函數(shù)sigemptyset(&act.sa_mask);sigaddset(&act.sa_mask, sigquit); 在處理信號 sigalrm 時，屏蔽信號/ sigquitact.sa_flags = 0;#ifdef sa_restart /如果定義了該常量，則系統(tǒng)默認(rèn)不重啟，應(yīng)改為重啟 act.sa_flags 1= sa_restart;#endifsigaction(sigalrm, &act, &

23、oact);信號sigquit處理函數(shù)的末尾應(yīng)該包含如下代碼段(供參考)：sigset_t pendmask;sigemptyset(&pendmask);sigpending(&pendmask); /獲得未決信號集合pid = 0;/表示當(dāng)前無正在執(zhí)行的用戶命令alarm(o); /清除鬧鐘if(sigmember(&pendmask, sigalrm) / 存在未決信號 sigalrm signal(sigalrm, sig_ign);/ 清除未決信號 sigalrmsigaction(sigalrm, &act, null); / 恢復(fù)原來的處理方法實(shí)驗(yàn)

24、六用線程解決“n個哲學(xué)家”問題在這個實(shí)驗(yàn)里，待解決的就是如何使用線程描述的問題。由于同一個進(jìn)程屮 的所有線程共享相同的內(nèi)存空間，因此口j以使用全局變量表示叉子。但是，為了 避免“時間窗口”，仍然必須使用“原了”操作進(jìn)行互斥?？梢允褂迷趕emaphore.h 里說明的信號量完成這個需求，具體細(xì)節(jié)參考課件和聯(lián)機(jī)文檔。模擬程序的框架 如下：定義一個全局的信號量指針,表示叉子。可以按如下方式說明: static sem_t *forks;哲學(xué)家的行為可以用如下函數(shù)描述:void * philosopher(void *n) int i = (int) n;while(l) thinking(i, nsecs); / 哲學(xué)家 i 思考 nsecs 秒takefork(i);/哲學(xué)家i拿起叉子eating(i, nsecs); / 哲學(xué)