操作系统实验指导书(3)

操作系统实验指导书

gcc [options] [filenames]

命令行选项指定的编译过程中的具体操作 2、GCC常用选项

GCC有超过100个的编译选项可用，这些选项中的许多可能永远都不会用到，但一些主要的选项将会频繁使用。很多的GCC选项包括一个以上的字符，因此必须为每个选项指定各自的连字符，并且就像大多数LINUX 命令一样不能在一个单独的连字符后跟一组选项。例如，下面的命令是不同的：

gcc -p-g test.c gcc -pg test.c

第一条命令告诉GCC编译test.c时为prof命令建立剖析（profile）信息并且把调试信息加入到可执行文件里。第二条命令告诉GCC只为gprof命令建立剖析信息。

当不用任何选项编译一个程序时，GCC将建立（假定编译成功）一个名为a.out的可执行文件。例如，

gcc test.c

编译成功后，当前目录下就产生了一个a.out文件。

也可用-o选项来为即将产生的可执行文件指定一个文件名来代替a.out。例如：

gcc –o count count.c

此时得到的可执行文件就不再是a.out，而是count。 GCC也可以指定编译器处理步骤多少。-c选项告诉GCC仅把源代码编译为目标代码而跳过汇编和连接步骤。这个选项使用得非常频繁因为它编译多个C程序时速度更快且更易于管理。默认时GCC建立的目标代码文件有一个.o的扩展名。

3、执行文件

格式： ./可执行文件名 例：./a.out ./count

三、gdb调试工具

LINUX包含了一个叫gdb的GNU调试程序。gdb是一个用来调试C和C++程序的强有力调试器。它使你能在程序运行时观察程序的内部结构和内存的使用情况。它具有以下一些功能：

·监视程序中变量的值；

·设置断点以使程序在指定的代码行上停止执行； ·一行行的执行代码。

以下是利用gdb进行调试的步骤： 1、调试编译代码

为了使gdb正常工作，必须使你的程序在编译时包含调试信息。调试信息里包含你程序里的每个变量的类型和在可执行文件里的地址映射以及源代码的行号。gdb利用这些信息使源代码和机器码相关联。

在编译时用 –g 选项打开调试选项。 2、gdb基本命令 命 令 描 述 file 装入欲调试的可执行文件 kill 终止正在调试的程序 list 列出产生执行文件的源代码部分 next 执行一行源代码但不进入函数内部 step 执行一行源代码并进入函数内部 run 执行当前被调试的程序 quit 终止gdb watch 监视一个变量的值而不管它何时被改变 break 在代码里设置断点，使程序执行到这里时被挂起 make 不退出gdb就可以重新产生可执行文件 11

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shell 不离开gdb就执行UNIX shell 命令

3、应用举例

(1)设有一源程序greet.c

(2)编译，gcc -ggdb –o greet greet.c，出错

(3)gdb greet ，出现提示符(gdb)，此时可在提示符下输入gdb的命令了，如： (gdb)run (gdb)list

(4)退出调试状态，返回系统提示符下， (gdb)quit

四、参考程序 清单 factorial.c #include #include int factorial (int n) { if (n <= 1) return 1; else return factorial (n - 1) * n; } 清单 main.c

#include #include int factorial (int n); int main (int argc, char **argv) { int n; if (argc < 2) { printf (\ return -1; } else { n = atoi (argv[1]); printf (\ } return 0; } 利用如下的命令可编译生成可执行文件，并执行程序： $ gcc -o factorial main.c factorial.c $ ./factorial 5 Factorial of 5 is 120.

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实验二 进程管理

实验目的

通过进程的创建、撤销和运行加深对进程概念和进程并发执行的理解，明确进程与程序的区别。

实验内容

1、了解系统调用fork()、exec()、exit()和waitpid()的功能和实现过程。

2、编写一段程序，使用系统调用fork()来创建两个子进程。当此程序运行时，在系统中有一个父进程和两个子进程活动。并由父进程显示字符串“parent:”和自己的标识数。而两个子进程也分别显示字符串“child:”和自己的标识数。试观察记录屏幕上的显示结果，并分析原因。

3、编写一段程序，使用系统调用fork()来创建一个子进程，子进程通过系统调用exec()更换自己的执行代码，显示新的代码“new program.”后，调用exit()结束。而父进程则调用waitpid()等待子进程结束，并在子进程结束后显示子进程的标识符，然后正常结束。

实验指导

一、进程

UNIX中，进程既是一个独立拥有资源的基本单位，又是一个独立调度的基本单位。一个进程实体由若干个区（段）组成，包括程序区、数据区、栈区、共享存储区等。每个区又分为若干页，每个进程配置有唯一的进程控制块PCB，用于控制和管理进程。

PCB的数据结构如下：

1、进程表项（Process Table Entry）。包括一些最常用的核心数据：

进程标识符PID、用户标识符UID、进程状态、事件描述符、进程和U区在内存或外存的地址、软中断信号、计时域、进程的大小、偏置值nice、指向就绪队列中下一个PCB的指针P_Link、指向U区进程正文、数据及栈在内存区域的指针。

2、U区（U Area）。用于存放进程表项的一些扩充信息。 每一个进程都有一个私用的U区，其中含有：进程表项指针、真正用户标识符u-ruid(read user ID)、有效用户标识符u-euid(effective user ID)、用户文件描述符表、计时器、内部I/O参数、限制字段、差错字段、返回值、信号处理数组。

由于UNIX系统采用段页式存储管理，为了把段的起始虚地址变换为段在系统中的物理地址，便于实现区的共享，所以还有：

3、系统区表项。以存放各个段在物理存储器中的位置等信息。 系统把一个进程的虚地址空间划分为若干个连续的逻辑区，有正文区、数据区、栈区等。这些区是可被共享和保护的独立实体，多个进程可共享一个区。为了对区进行管理，核心中设置一个系统区表，各表项中记录了以下有关描述活动区的信息：

区的类型和大小、区的状态、区在物理存储器中的位置、引用计数、指向文件索引结点的指针。

4、进程区表

系统为每个进程配置了一张进程区表。表中，每一项记录一个区的起始虚地址及指向系统区表中对应的区表项。核心通过查找进程区表和系统区表，便可将区的逻辑地址变换为物理地址。

二、进程映像

UNIX系统中，进程是进程映像的执行过程，也就是正在执行的进程实体。它由三部分组成：

1、用户级上、下文。主要成分是用户程序；

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2、寄存器上、下文。由CPU中的一些寄存器的内容组成，如PC，PSW，SP及通用寄存器等；

3、系统级上、下文。包括OS为管理进程所用的信息，有静态和动态之分。

三、所涉及的系统调用 1、getpid

在2.4.4版内核中，getpid是第20号系统调用，其在Linux函数库中的原型是： #include /* 提供类型pid_t的定义 */ #include /* 提供函数的定义 */ pid_t getpid(void);

getpid的作用很简单，就是返回当前进程的进程ID，请大家看以下的例子：

/* getpid_test.c */ #include main() { printf(\}

这个程序的定义里并没有包含头文件sys/types.h，这是因为我们在程序中没有用到pid_t类型，pid_t类型即为进程ID的类型。事实上，在i386架构上（就是我们一般PC计算机的架构），pid_t类型是和int类型完全兼容的，我们可以用处理整形数的方法去处理pid_t类型的数据，比如，用\把它打印出来。

编译并运行程序getpid_test.c： $gcc getpid_test.c -o getpid_test $./getpid_test The current process ID is 1980 （你自己的运行结果很可能与这个数字不一样，这是很正常的。） 再运行一遍： $./getpid_test The current process ID is 1981 正如我们所见，尽管是同一个应用程序，每一次运行的时候，所分配的进程标识符都不相同。

2、fork

在2.4.4版内核中，fork是第2号系统调用，其在Linux函数库中的原型是： #include /* 提供类型pid_t的定义 */ #include /* 提供函数的定义 */ pid_t fork(void); 创建一个新进程。 系统调用格式：

pid=fork( )

fork( )返回值意义如下：

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0：在子进程中，pid变量保存的fork( )返回值为0，表示当前进程是子进程。

>0：在父进程中，pid变量保存的fork( )返回值为子进程的id值（进程唯一标识符）。 -1：创建失败。

如果fork( )调用成功，它向父进程返回子进程的PID，并向子进程返回0，即fork( )被调用了一次，但返回了两次。此时OS在内存中建立一个新进程，所建的新进程是调用fork( )父进程（parent process）的副本，称为子进程（child process）。子进程继承了父进程的许多特性，并具有与父进程完全相同的用户级上下文。父进程与子进程并发执行。

核心为fork( )完成以下操作：

（1）为新进程分配一进程表项和进程标识符

进入fork( )后，核心检查系统是否有足够的资源来建立一个新进程。若资源不足，则fork( )系统调用失败；否则，核心为新进程分配一进程表项和唯一的进程标识符。

（2）检查同时运行的进程数目

超过预先规定的最大数目时，fork( )系统调用失败。 （3）拷贝进程表项中的数据

将父进程的当前目录和所有已打开的数据拷贝到子进程表项中，并置进程的状态为“创建”状态。

（4）子进程继承父进程的所有文件

对父进程当前目录和所有已打开的文件表项中的引用计数加1。 （5）为子进程创建进程上、下文

进程创建结束，设子进程状态为“内存中就绪”并返回子进程的标识符。 （6）子进程执行

虽然父进程与子进程程序完全相同，但每个进程都有自己的程序计数器PC(注意子进程的PC开始位置)，然后根据pid变量保存的fork( )返回值的不同，执行了不同的分支语句。

例：

….. PC pid=fork( ); if (! pid) printf(\ else if (pid>0) printf(\

else

printf(\

……

fork( )调用前 fork( )调用后 PC ….. pid=fork( ); if (! pid) printf(\else if (pid>0) printf(\ else printf(\…… PC ….. pid=fork( ); if (! pid) printf(\else if (pid>0) printf(\ else printf(\…… 3、exit

在2.4.4版内核中，exit是第1号调用，其在Linux函数库中的原型是：

#include 15