1、学会内存的申请、释放和管理

2、掌握内存的分配方法  （FF,BF,WF）

3用链表的形式输出内存申请和释放过程的状态，通过编程进一步了解内存管理。

二、实验内容

用Vim编写一个程序：仿真实现某个内存管理算法，测试给出结果，解释运行结果。

三、实验主要步骤

1、记录内存空间使用情况

2、记录空闲分区

3、内存分配算法-最佳分配算法（Best Fit Allocation）的原理是空闲分区列表按照大小排序，在分配时，查找一个合适的分区（分配n字节分区时，查找并使用不小于n的最小空间分区）；在释放时，查找并且合并临近的空闲分区（如果找到的话）。

4、内存释放算法-运行结果-产生测试数据-随机为3个进程分配、释放内存10次以上，即随机产生10组以上数据。

四、实验结果测试

1.程序源代码如图1-图16所示。

2.使用gcc编译后，运行测试，进行内存的第一次分配操作：创建一个新进程，测试以PPT内容数据为例，分配给进程1的内存大小为24，然后显示内存使用情况，如图17所示。

3.进行内存的第二次分配操作：继续创建一个新进程，分配给进程2的内存大小为74，然后显示内存使用情况，如图18所示。

4.进行内存的第三次分配操作：继续创建一个新进程，分配给进程3的内存大小为36，然后显示内存使用情况，如图19所示。

5.进行内存的第一次释放操作：终止已有进程，选择进程3，然后显示内存使用情况，如图20所示。

6.进行内存的第二次释放操作：终止已有进程，选择进程1，然后显示内存使用情况，可见此时内存空闲区因为是在连续的地址中存在进程2使用内存，将进程1和进程3的内存空间隔断了，如图21所示。

7.进行内存的第四次分配操作：继续创建一个新进程，分配给进程4的内存大小为50，此时虽然有第一段空闲地址，但由于大小不匹配，因此使用了第二段空闲部分的地址。显示内存使用情况，如图22所示。

8.进行内存的第五次分配操作：继续创建一个新进程，分配给进程5的内存大小为16，此时第一段空闲地址大小符合，因此使用了第一段空闲部分的地址。显示内存使用情况，如图23所示。

五、附件下载

1. 加深理解信号和管道的概念及实现进程间通信的原理。

2. 掌握信号通信机制，学会通过信号实现进程间的同步通信。

3. 掌握匿名管道通信机制，学会通过匿名管道实现进程间的数据通信。

二、实验内容

本实验实现父子进程之间的管道通信。程序中由父进程创建一个匿名管道，并创建了2个子进程。两个子进程都从管道写端（入口）写入一个发给父进程的消息（字符串），父进程则从管道读端（出口）读取发来的两个消息。

三、实验主要步骤

(1)程序设计

下面是程序的部分代码，请完成该程序的设计。

要求程序输出结果如下所示：

其中，前两行的顺序可颠倒，第3和第4行的顺序也可颠倒。

或：

或：

(2)编辑、编译、调试该程序。

(3)多次运行test7_1，观察运行结果。

如果出现不符合要求的输出结果，问题出在什么地方？

修改程序，直到无错为止。

四、实验结果测试

1.修改所给代码，即进行创建一个匿名管道，分别向管道1，2写入消息并设置终止信号，待子进程终止后从管道先后读出两个消息，并输出相关提示信息。最后关闭管道。对于前30行的代码修改，如图1所示，对于31至44行的代码修改，如图2所示。

2.编译生成代码，结果如图3所示。

六、附件下载

1. 加深理解线程同步的概念及实现线程同步的原理。

2. 掌握Linux线程库支持的信号量同步机制和信号量互斥机制，学会通过信号量信号实现线程间的同步与互斥。

二、实验内容

实验七、线程同步实现公交车司机与售票员同步，

参考实验四，完成该程序的设计

三、原理和实验主要步骤

1、原理：Linux的线程库中定义了同步信号量以及多种同步信号量操作函数（原语）。

POSIX信号量同步信号量的类型为sem_t

基本的同步信号量操作函数有4个：

sem_init( )

sem_wait( )　    （相当于P操作）

sem_post( )　    （相当于V操作）

sem_destroy( )

它们均在头文件semaphore.h中声明。

sem_init 函数

原型：int  sem_init(sem_t *sem, int type, int value);

其中，参数sem为同步信号量的指针；type为信号量类型，若为0，表示该信号量是现行进程的局部信号量（只在现行进程的线程之间使用），否则，它可为多个进程所共享；value是信号量值的初值。

功能：初始化同步信号量。

sem_wait 函数

原型：int  sem_wait(sem_t  *sem);

功能：同步信号量的P操作

sem_post 函数

原型：int  sem_post(sem_t  *sem);

功能：同步信号量的V操作

sem_destroy 函数

原型：int  sem_destroy(sem_t  *sem);

功能：清理同步信号量

上述函数返回0表示成功，非0表示失败。

2、本实验要求应用Linux线程库支持的信号量互斥机制改进实验4.2，即程序test4_2.c　。

该互斥机制的内容见讲义Unit 4中的4.2节。

本实验的程序框架和部分程序代码如下，请完成该程序的设计，　

/*test6_1.c*/

#include<stdio.h>

#include<pthread.h>

int ticket[10]={1,3,5,7,9,2,4,6,8,10};

int rest=10;

int th_num[2]={1,2};  /*自定义的线程序号*/

<定义一个互斥信号量>

void *terminal(void *p)  /*售票终端线程代码*/

{ int  mynum=*((int *)p);  /*本终端的序号*/

int  tot=0;  /*本终端售票计数*/

<你的设计部分>

printf(“Terminal_%d selled %d tickets .\n”, mynum,tot);

pthread_exit(0);

}

int main( )

{

pthread_t  tid[2];

<初始化信号量>

  pthread_create(&tid[0], NULL, terminal, &th_num[0]);

       /*参数“&th_num[0]”是线程的入口参数*/

  pthread_create(&tid[1], NULL, terminal, &th_num[1]);

 <等待线程终止>

 <撤消信号量>

 <结束>

}

问题描述：

公共汽车上，司机和售票员的活动分别是：

司机的活动：启动车辆；正常行车；到站停车。

售票员的活动：关车门；售票；开车门。

在汽车不断的到站、停站、行驶过程中，用信号量和P,V操作实现它们的同步。

• 实验结果测试

1.对于test6_1的修改，代码如图1-图2所示。其中，使用pthread_mutex_t定义了互斥信号量，使用pthread_mutex_lock对应互斥信号量的P操作，使用pthread_mutex_unlock对应互斥信号量的V操作。

2.完成编辑后，使用gcc命令编译文件，运行生成的文件，结果如图3所示。

思考：◆Linux系统中，信号量值和P、V是怎么样对应的？

答：信号量的值和P、V操作是通过以下方式相互对应的：

信号量的值：每个信号量都有一个整数值，通常表示可用资源的数量或者某种状态。值可以是任意整数。

P操作用于请求获取一个资源。在Linux中，通过调用semop()系统调用实现P操作。当进程执行P操作时，它将尝试将信号量的值减1。如果信号量的值大于0，则成功获取到资源，并将信号量的值减1；如果信号量的值为0，则进程将被阻塞，直到信号量的值变为非零。

V操作用于释放一个资源。在Linux中，通过调用semop()系统调用实现V操作。当进程执行V操作时，它将尝试将信号量的值加1。如果有其他进程因为等待该资源而被阻塞，则其中一个进程将被唤醒并获得该资源；如果没有进程在等待该资源，则信号量的值增加1。

通过对信号量的值进行P和V操作，可以实现多个进程之间的互斥和同步，以确保对共享资源的正确访问和使用。

附件下载

1. 了解Linux的ULT（用户级线程）机制。

2. 学会创建线程的编程方法。

3. 加深理解进程数据的多线程共享概念。

二、实验内容

实验5.1  创建线程

实验5.2  多线程间共享数据

三、实验主要步骤

实验5.1  创建线程

①用你的用户账号登录，并进入ostest目录。

　②完成源程序test5_1.c的设计与编辑

　③用gcc编译test5_1.c

　　　由于头文件pthread.h实际上不是Linux默认的库，故在gcc命令行中需要使用选项“-l”链接该库，如：

  　　  gcc  –o  test5_1  –l  pthread  test5_1.c

　④运行test5_1观察输出结果。

　⑤修改test5_1.c，将语句“int data=4;”移到main函数内的首部。观察运行结果。

实验5.2  多线程间共享数据

设计一个售票模拟系统进程，在其main函数中创建2个售票终端线程，这2个线程共享进程的全局数据——余票数据库ticket和余票数rest。

　　　下面给出部分程序，请设计出其余部分，并完成编辑、编译及调试运行。

　　多次运行程序，观察运行结果。

　　结果都正确吗？有什么问题？能解决吗？

四、实验结果测试

1.修改补充test5_1.c的代码，需要修改的内容如图1中红色框线所示。

2.完成后，使用gcc test5_1.c -l pthread -o test5_1.out编译该代码文件，并运行test5_1.out文件，输出结果如图2所示。

3.尝试将int data=4;命令移到main函数的首部，如图3所示。

4．再次使用第2步的命令编译，发现编译出错，原因是变量声明不明确，结果如图4所示。

5.对于公交售票系统，代码如图5所示。

6.使用第2步的命令编译并多次运行，结果如图6所示。

附件下载

1. 加深理解进程同步的概念及实现线程同步的原理。

2. 掌握Linux进程库支持的信号量同步机制和信号量互斥机制，学会通过信号量信号实现进程间的同步与互斥。

二．实验内容

实验4进程实现公交车司机与售票员同步

三．实验主要步骤

问题描述：

公共汽车上，司机和售票员的活动分别是：

司机的活动：启动车辆；正常行车；到站停车。

售票员的活动：关车门；售票；开车门。

在汽车不断的到站、停站、行驶过程中，用信号量和P,V操作实现它们的同步。

 key1=ftok(".",36);

 key2=ftok(".",98);

semid1=semget(key1,1,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666); //司机同步信号量

semid2=semget(key2,1,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);//售票员同步信号量

问题解决：

    我们可以使用两个信号量来实现司机与售票员间的同步，具体如下：

1.semctl函数进行初始化信号量为0 , v1.val=0; v2.val=0;

    r1=semctl(semid1,0,SETVAL,v1);//v1参数是个semun共用体

2. semop函数进行PV设置;

3.实现司机与售票员进程同步PV操作

4.semctl函数进行删除信号量：

semctl(semid1,0,IPC_RMID);

semctl(semid2,0,IPC_RMID);

四、实验结果测试

1.本实验所涉及的部分关键代码如图1所示。

2.在Linux系统中，尝试使用ipcs命令查看当前进程间通信的信息：通过观察【信号量数组】可以看到：当前有一个semid为1的信号量，权限为600（自己可读写，其余均不可以进行任何操作）；此时将编译好的代码运行，控制台中输出了司机、乘客、售票员的动作，强制结束该程序后，再次使用ipcs命令查看进程间通信情况，可以看到有两个新的信号量被创建，权限为666（在代码中进行了设置：所有人均可以读写），如图2所示。

分析与思考

◆如何删除进程信号？

答：使用命令ipcrm -s [进程信号ID]即可删除相应的进程信号

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1. 学会使用fork()/exec()模式创建进程（具有独立映象）的编程方法。

2. 加深理解进程的并发特性，掌握创建进程的正确编程方法。

3.完成实验3.1   用fork()模式创建进程；实验3.2   用fork/exec模式创建进程。

二．实验内容

实验3.1   用fork()模式创建进程

实验3.2   用fork/exec模式创建进程

三．实验主要步骤

实验3.1 用fork()模式创建进程

Linux中创建新进程的唯一方法是使用fork()函数。

C语言中， if else分支语句只会根据条件进入一个分支执行，但fork()执行一次却有两个返回值(if、else两个分支的语句都执行了)。

试运行以下程序，观察运行后的结果。

四、实验结果测试

1.在ostest文件夹下使用vim命令创建test3_1.c,test3_2.c,subp1.c,subp2.c,subp3.c；并根据指定代码内容编辑相应的文件。使用命令gcc 【c文件】 -o 【out文件名】进行编译。编译结果如图1所示。

图1

2.test3_1.c的代码内容和尝试运行1次的结果如图2所示。

图2

3.subp1.c的代码内容和尝试运行1次的结果如图3所示。

图3

4. subp2.c与subp3.c的代码内容和分别尝试运行1次的结果如图4所示。

图4

5.test3_2.c的代码内容如图5所示。

图5

6. 尝试运行3次test3_2.out的结果如图6所示。

图6

7. 尝试运行3次test2.out的结果如图7所示。

图7

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（1）理解进程与程序的联系与区别以及并发程序的基本特性。

（2）学会在在程序中使用fork() 函数创建克隆式子进程的基本编程方法。

二．实验内容

命令进程的创建与并发执行

三．实验主要步骤

实验2.1  命令进程的创建与并发执行

①启动Linux，进入黑屏界面；

②在tty1上用root账号登录，在tty2和tty3上则分别以普通用户账号登录；

③在tty1上输入命令“ps --help”，即在tty1上创建命令进程ps，以查看ps命令的help信息；

④在tty2上输入命令“man man”，即在tty2上创建命令进程man，以查看man命令的help信息，不要终止该man命令；

⑤在tty3上执行命令“man pstree”，即在tty3上创建命令进程man，查看pstree命令的help信息，同样也不要终止该man命令；

⑥在tty1上执行ps命令，查看本控制台上所有进程的基本信息；

⑦在tty1上执行pstree命令，查看进程的分层结构。

⑧再在tty1上执行ps命令，查看本系统的所有进程的详细信息，并从中找到并记下tty2上的man命令进程的PID；你能看到ps命令输出的全部信息吗？

如果不能，可以利用Linux的“重定向”或“管道”功能，例如，可输入如下管道命令行：ps –aux | more

该命令行的语义是：将ps命令的输出结果作为输入传递给more命令（分页显示），并执行more命令。)

⑨撤消tty2上的man命令进程；

⑩再执行ps命令，查看被撤消的进程是否还存在；

⑾切换到tty2，观察man命令是否还在执行或已终止；再切换到tty3，观察man命令是否还在执行或已终止；

⑿注销 （不要关机）。

实验2.2  使用fork创建进程

本实验使用系统调用fork()创建多个子进程，实现多进程并发执行。

参考步骤：

1.在tty1上使用root用户登录，如图1所示。

2.在tty2以普通账户登录，结果如图2所示。

3.在tty3也用普通用户登录，结果如图3所示。

4.在tty1输入命令 ps --help 创建ps进程，如图4所示。

5.在tty2输入man man 查看man命令的帮助信息，结果如图5所示。

6.在tty3上执行man pstree命令，结果如图6所示。

7.在tty1上使用ps命令查看本控制台的进程信息，结果如图7所示。

8.在tty1使用ps tree查看进程树信息，回显结果如图8所示。

9.使用ps -aux | more 查看tty2的man man命令进程的详细信息，结果如图9所示。

10.用kill命令撤销第10步中的进程信息，命令如图10所示。

11.再次使用ps -aux查看进程信息，发现进程号为1725的指定进程已经没有了，如图11所示。

12.使用fork创建进程：通过老师提供的唯一指定代码写入到用户家目录下的test2.c文件中，该文件代码如图12所示。

13.使用gcc test2.c命令编译该程序，然后多次运行该程序，结果如图13所示。

了解Linux的文本用户界面，掌握用户的注册、登录及注销。

熟悉 vi 编辑器的基本使用方法。

学会在Linux上开发C 程序的一般方法。

实验内容

实验1.1  用户的注册、登录及注销

实验1.2  开发简单的C程序

实验主要步骤

实验1.1  用户的注册、登录及注销

Step1. 启动Linux

①启动VMware，在VMware的主窗口启动Linux；

②在用户界面中用超级用户账号登录。

　　　　用户名：root　　　　密码：　xxxxxxx

③在桌面上打开终端shell界面；

Step2. 新用户注册

①用groupadd命令建立两个用户组：group1和group2；

②用useradd命令和passwd命令建立4个新的用户账号，其中一个是你本人的账号! 　如：fyl、wang、zhang、student，初始密码可均设为“654321”，并指定前2个账号为group1组成员，后2个账号为group2组成员；

③用 vi 编辑器打开系统配置文件“/etc/passwd”，查看新账号是否已生成以及他们各自的用户标识号UID。

④用 vi 编辑器打开系统配置文件“/etc/group”，查看group1组和group2组以及它们的组标识号GID；新的用户账号是否已加入到组中？

⑤用usermod命令将新用户账号添加到各自的组中；

⑥再打开/etc/group文件，确定新的用户账号已加入到各自的组中。

Step3. 多用户登录

①用Ctrl+Alt+F2切换到虚拟控制台tty2，用你的账号登录，并用passwd命令修改初始密码（记住！）。

②再切换到tty3上，用另一普通用户账号登录并修改其初始密码。

③使用who命令查看本系统当前有哪些在线用户，只需在命令提示符后输入命令行

　who

④在你的账号下用mkdir命令建立一个目录：ostest。

Step4. 注销与关机

• 普通用户用logout命令注销；

②超级用户用shutdown命令注销并关机。

实验1.2  开发简单的C程序

①启动Linux，用你的普通账号登录；

②进入子目录ostest；

③用vi 编辑器编辑一个简单的C源程序test1_1.c，参考源代码如下：

④用命令“gcc test1_1.c”对test1_1.c进行编译；

⑤若成功，则不会有任何信息显示；否则作适当修改，直到成功；

⑥执行test1_1对应的可执行程序；

⑦修改test1_1.c：求1到100之和。并将新程序命名为test1_2.c；

⑧编译test1_2.c，要求其可执行程序的名字为test1_2；

⑨执行test1_2。

⑩注销。

参考步骤

1.启动Linux，使用root账户登录，如图1所示。

2.打开shell程序，界面如图2所示。

3.完成group1，group2组的新建；添加4个新用户和设置密码；将4个新用户按指定要求添加到对应的组内，具体命令如图3所示。

4.使用vi /etc/passwd查看用户信息，如图4所示。

5.使用 vi /etc/group查看组信息，如图5所示。

6.使用tty2控制台登录自己账号并修改密码：因控制台视图不可以正确显示中文，因此控制台中修改密码的信息提示参见图6，修改密码的过程如图7所示。

7.切换到tty3控制台登录另一个用户，修改密码的过程与步骤6相同，使用who命令查看在线用户，如图8所示。

8.在自己名称账户下建立ostest目录，如图9所示。

9.普通用户使用exit（kali系统）注销用户和root用户使用shutdown关机，命令如图10所示。

10.在ostest目录下创建并编译test1_1.c文件，命令如图11所示；test1_1.c文件内容如图12所示。

11.编译完成后，会在同目录下生成a.out文件。执行该文件可查看显示结果，如图13所示。

12.复制test1_1文件，新文件为test1_2.c,编辑文件修改程序功能为求1-100和，命令内容如图15所示。完成后使用gcc -o参数指定可执行程序名字为test1_2,运行该输出文件，获得输出结果，如图14所示。

怎么样理解Linux系统的多用户和多任务特点？有哪些优点？（下述内容来自于New Bing）

Linux系统的多用户和多任务特点是指Linux可以同时支持多个用户对同一台计算机进行访问，且每个用户能够同时运行多个任务。这些特点有以下优点：

开放性：Linux遵守GNU规范，代码共享，易于实现系统的裁剪和客制化的开发。

安全性：Linux提供了不同用户之间的权限管理，防止恶意操作或病毒攻击。

稳定性：Linux内核负责程序之间的调度和资源分配，保证了系统的高效运行。

兼容性：Linux支持多种编程语言和硬件平台，可以用于服务器、桌面、嵌入式设备等不同领域。