班级：计182 学号：1808031007 姓名：胡怡然日期：2020年5月25日 ###1 实验目的与要求 • 掌握 Linux 下的多进程编程技术； • 通过对进程运行轨迹的跟踪来形象化进程的概念； • 在进程运行轨迹跟踪的基础上进行相应的数据统计，从而能对进程调度算法进行实际的量化评价，更进一步加深对调度和调度算法的理解，获得能在实际操作系统上对调度算法进行实验数据对比的直接经验。 ####2 实验环境（软、硬件平台） IA-32（x86）架构的 PC 机主要软件环境 Bochs Gcc Vim Ubuntu 16.04 Linux 0.11 ####3 实验内容及步骤实验内容： • 基于模板 process.c 编写多进程的样本程序，实现如下功能： + 所有子进程都并行运行，每个子进程的实际运行时间一般不超过 30 秒； + 父进程向标准输出打印所有子进程的 id，并在所有子进程都退出后才退出； • 在 Linux0.11 上实现进程运行轨迹的跟踪。 + 基本任务是在内核中维护一个日志文件 /var/process.log，把从操作系统启动到系统关机过程中所有进程的运行轨迹都记录在这一 log 文件中。 • 在修改过的 0.11 上运行样本程序，通过分析 log 文件，统计该程序建立的所有进程的等待时间、完成时间（周转时间）和运行时间，然后计算平均等待时间，平均完成时间和吞吐量。可以自己编写统计程序，也可以使用 python 脚本程序—— stat_log.py（在 /home/teacher/ 目录下） ——进行统计。 • 修改 0.11 进程调度的时间片，然后再运行同样的样本程序，统计同样的时间数据，和原有的情况对比，体会不同时间片带来的差异。实验步骤： 1. 编写样本程序 2. log文件 3. 写log文件 4. 寻找状态切换点 5. 管理log文件 6. 数据统计 7. 修改时间片 ####4 实验过程记录首先，要进行的操作是在init/main.c中的main()中添加创建日志文件/var/process.log的语句.这一步在实验指导书中很明确的解释了如何操作以及为何这么做，我在这就不多说了。把init()的一小段代码移动到main()中，放在move_to_user_mode()之后，同时加上打开log文件的代码。接下来，我们要做的就是把给定的fprintk()函数放入到 kernel/printk.c中。在kernel/sched.c文件中定义为一个全局变量long volatile jiffies=0，记录着中断发生的次数。还是在这个文件中的sched_init（）函数中，时钟中断处理函数被设置如下： set_intr_gate(0x20,&timer_interrupt); 而在kernel/system_call.s文件中将timer_interrupt定义为： timer_interrupt: …… incljiffies #增加jiffies计数值 …… 接下来要做的一步，是这个实验的关键点了，要寻找状态的切换点。寻找状态的切换点要涉及的文件有三个， fork.c、sched.c和 exit.c 例如：编写process.c ![undefined](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399494-20200608-1591572320065) 我们需要创建日志文件来记录进程的状态转变，要保证这个日志文件能在多个程序中对其进行写入。打开linux-0.11/init下的main.c,修改如下： ![undefined](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399494-20200608-1591572349681) 2.修改kernel/printk.c文件,添加打印功能 ![undefined](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399494-20200608-1591572374494) 3.跟踪进程状态（1）修改fork.c ![undefined](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399494-20200608-1591572397058) ![undefined](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399494-20200608-1591572414375) （2）修改sched.c ![undefined](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399494-20200608-1591572435428) ![undefined](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399494-20200608-1591572445996) ![undefined](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399494-20200608-1591572455842) ![undefined](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399494-20200608-1591572467089) ![undefined](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399494-20200608-1591572476264) （3）修改exit.c ![undefined](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399494-20200608-1591572499116) ![undefined](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399494-20200608-1591572509386) 在内核状态下写log文件 ![undefined](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399494-20200608-1591572527283) ![undefined](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399494-20200608-1591572537539) 添加相应代码 ![undefined](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399494-20200608-1591572556561) ![undefined](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399494-20200608-1591572565265) ![undefined](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399494-20200608-1591572575947) 4.创建process.c，用例创建多个进程进行跟踪挂载hdc,将process.c复制到usr/root/下，运行linux-0.11,编译process并运行。得到的日志文件如下： ![undefined](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399494-20200608-1591572595021) 在bochs中输入sync将缓冲区信息加载到硬盘。创建stat_log.py脚本来查看各种进程状态的时间对该脚本加上权限：sudo chmod +x ./stat_log.py 分析结果：./stat_log.py ./hdc/var/process.log 4 ![undefined](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399494-20200608-1591572617465) ####5 实验数据分析及小结根据指导书上给的提示，我们可以知道，如果在实验假定没有人调用过nice系统调用，时间片的初值就是进程0的priority，即宏INIT_TASK中定义的：#define INIT_TASK \{ 0,15,15, //分别对应state;counter;和priority;想要修改时间片，只要修改这个宏定义的第三个值即可。在进行一系列的数据分析之后从log文件的统计结果中可以发现：在一定的范围内，平均等待时间，平均完成时间的变化随着时间片的增大而减小。这是因为在时间片小的情况下，cpu将时间耗费在调度切换上，所以平均等待时间增加。而超过一定的范围之后，这些参数将不再有明显的变化，这是因为在这种情况下，RR轮转调度就变成了FCFS先来先服务了。随着时间片的修改，吞吐量始终没有明显的变化，这是因为在单位时间内，系统所能完成的进程数量是不会变的。单进程编程和多进程编程有多种区别。 1）执行方式：单进程是一个进程按设计好的流程从上到下顺序执行，程序设计者需要在该进程内合理安排执行顺序；而多进程是多个进程同时执行的，是并行的（实际上是高速切换着运行这多个进程），程序设计者除了考虑每个进程内的执行顺序，还要合理安排每个进程的流程。 2）数据同步：单进程的数据是同步的，在该进程中改变数据，影响是全局的。而多进程中，子进程数据是父进程数据在内存另一位置的拷贝，是相互独立的，互不影响对父进程数据的操作不会影响子进程数据，子进程同样。 3）CPU利用率：单进程在等待io时，cpu是空闲的；因此，CPU利用率低。多进程在某一进程等待io时，通过各种复杂而灵活的调度算法，运行另一个进程，所以CPU利用率高。 4）单进程的用途较为单一，而多进程的用途广泛。修改include/linux/sched.h/INIT_TASK中的priority就可以改变时间片大小。变化不大的原因是，子进程连续占用cpu的时间要比时间片大很多。仅针对样本程序建立的进程，在修改时间片前后，log文件的统计结果（不包括Graphic）都是什么样？结合你的修改分析一下为什么会这样变化，或者为什么没变化？依次将时间偏设为1，5，10，15，20，25，50，100，150后，经统计分析log文件可以发现： 1）在一定的范围内，平均等待时间，平均完成时间的变化随着时间片的增大而减小。这是因为在时间片小的情况下，cpu将时间耗费在调度切换上，所以平均等待时间增加。 2）超过一定的范围之后，这些参数将不再有明显的变化，这是因为在这种情况下，RR轮转调度就变成了FCFS先来先服务了。随着时间片的修改，吞吐量始终没有明显的变化，这是因为在单位时间内，系统所能完成的进程数量是不会变的。

“操作系统实验”实验报告