操作系统——初步

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本次实验全部基于Ubuntu 16.04完成
代码托管于GitHub：https://github.com/hnjia00/OS2019/tree/master/Code_Of_project1

系统调用实验

Q1.

阅读分别运行用API接口函数getpid()直接调用和汇编中断调用两种方式调用Linux操作系统的同一个系统调用getpid的程序:

  • 请问getpid的系统调用号是多少？
  • Linux系统调用的中断向量号是多少？

A1.

执行

将两个文件分别命名为getpid_c.c和getpid_assembly.c，首先用gcc编译API接口调用程序，执行结果如下：
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可以看到程序分别输出了41580、41602、41612，其代表每次执行程序的进程识别码，且进程相互不同。
其次用gcc编译汇编中断调用程序，其执行结果如下：
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程序的执行结果与API调用实现相同，可以实现输出进程的识别码。

系统调用号

查阅有关博客，getpid的系统调用号分两个：在 32位系统下为 20，在 64位系统下为 39.
本题的代码基于32位系统，所以程序中传入的系统调用号为 0x14，即 20.

中断向量号

根据第二段汇编内嵌代码所提供的信息，其通过代码：INT 0x80 进入中断，所以Linux系统调用的中断向量号是 80H。

Q2.

上机完成习题1.13

A2.

linux系统调用的C函数形式

为了实现打印输出“hello world”，这里选用系统调用函数write来实现，通过下面代码即可实现：

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#include <stdio.h>
int main()
{
        write(1,"hello world!\n",14);
        return 0;
}

其中write的三个参数分别制定：输出方式、输出内容和输出长度。
执行结果如下：
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汇编代码

通过C语言内嵌汇编的形式来打印“hello word”的方法如下：

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    char* msg = "Hello World!\n\r";
    int len = 14;
    int result = 0;
    asm volatile("mov %2, %%edx;\n\r" /*传入参数：要显示的字符串长度*/
             "mov %1, %%ecx;\n\r" /*传入参赛：文件描述符（stdout）*/
             "mov $1, %%ebx;\n\r" /*传入参数：要显示的字符串*/
             "mov $4, %%eax;\n\r" /*系统调用号：4 sys_write*/
             "int  $0x80" /*触发系统调用中断*/
             :"=m"(result) 
             :"m"(msg),"r"(len)  /*输入部分：绑定字符串和字符串长度变量*/
             :"%eax"); 
    return 0;
}

程序的执行结果如下：
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Q3.

阅读pintos操作系统源代码，画出系统调用实现的流程图.

A3.

由于并未实际操作过pintos系统，所以如何定位系统调用的区域或是执行流程是一个很大的问题。为此，我参考了Linux的系统调用流程，将Linux的系统调用思想转移到pintos系统上，下面是我的学习所得。

先拿Linux的系统调用read函数来举个例子，其实现流程如下：
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在理解了Linux系统调用后，我尝试对pintos的项目源码进行了研读。
Pintos系统调用的相关代码存储在：pintos\src\lib\user下的syscall.c、syscall.h和syscall-nr.h中。其中：syscall-nr.h用于存储系统调用号的声明，syscall.c和syscall.h则编写了系统调用函数的具体实现。
还是继续拿read()函数来说明pintos的系统调用流程：

  • 首先用户在用户程序中调用read函数。
  • 接下来进入read函数的封装例程阶段，其对应syscall.c中的代码段：

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  • 在C库的read函数中，其返回了一个syscall3 (SYS_READ, fd, buffer, size);的指向，即系统调用处理程序。其中第一个参数SYS_READ即为read函数的系统调用号，该声明位于文件syscall-nr.h中：

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  • Syscall3函数的实现也位于syscall.c文件中，其代码如下：

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从代码中可以看到，syscall3函数通过 INT $0x30 语句触发了系统的软中断。

  • 承接syscall3的初始化函数位于src/userprog/syscall.c中，通过函数syscall_init调用执行intr_register_int来完成中断的初始化

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  • 接下来进入中断服务程序处理过程

中断服务处理程序位于src/threads/interrupt.c和src/threads/interrupt.h文件中，其中：
interrupt.h定义了中断堆栈帧的各个寄存器以及中断程序的声明,通过syscall3的参数传入即可识别需要执行的功能：
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interrupt.c存储了中断服务程序的具体实现，中断的处理主要先依靠函数
void intr_register_int (uint8_t vec_no, int dpl, enum intr_level level,intr_handler_func *handler, const char *name)
实现相关参数的初始化
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进而通过调用函数：void intr_handler (struct intr_frame *frame)来实现：
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其函数的描述为：

处理所有中断，故障和异常。这个函数由汇编语言中断存根调用使用intr-stubs.S。 FRAME描述了中断和中断线程的寄存器。

通过中断程序的执行，从而得以调用系统调用服务例程。

所以，pintos的系统调用流程 应该为：
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并发实验

Q1.

编译运行该程序（cpu.c），观察输出结果，说明程序功能。(编译命令： gcc -o cpu cpu.c –Wall)（执行命令：./cpu）

A1.

通过观察，可以得出程序的功能为：每隔一秒打印输入的参数或提示程序的正确输入格式。

Q2.

再次按下面的运行并观察结果：执行命令：./cpu A & ./cpu B & ./cpu C & ./cpu D &程序cpu运行了几次？他们运行的顺序有何特点和规律？请结合操作系统的特征进行解释。

A2.

观察程序可知，CPU的运行次数取决于while循环的执行次数，如果不强制终止程序，CPU将会一直运行下去。

程序的部分执行结果如下：
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从上图的执行结果中可以观察到：4个程序在每一轮都会轮流执行，而且执行的打印次序没有固定的顺序。
这是因为：对于4个完全相同的程序而言，CPU的优先级是相同的，所以每一轮的执行顺序是随机的，没有特定的规律。

内存分配实验

Q1.

阅读并编译运行该程序(mem.c)，观察输出结果，说明程序功能。(命令： gcc -o mem mem.c –Wall)

A1.

程序的执行结果如图：
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程序首先打印指针p所指向的内存地址：0x19d2010及其对应的进程：41862
其次程序每隔一秒打印指针p+1后的相对地址1、2、3… 及其对应的进程：41862

Q2.

再次按下面的命令运行并观察结果。两个分别运行的程序分配的内存地址是否相同？是否共享同一块物理内存区域？为什么？命令：./mem &; ./mem &

A2.

调用两个进程同时执行程序mem.c，其结果如下：
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从上图可以看到，两个分别运行的程序分配的内存地址不同，两个指针分别指向内存：0x8a2010和0x2337010，因为指针指向的内存单元的地址不同，所以不共享同一块物理内存区域。

在尝试关闭ALSR地址空间随机化后再次运行程序，发现程序有变化：
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所以两个分别运行的程序分配的内存地址本可以相同，但正是因为ALSR地址空间随机化后从而导致用户观测到的地址互不相同。

原因：

Linux操作系统采用虚拟内存管理技术，使得每个进程都有各自互不干涉的进程地址空间。该空间是块大小为4G的线性虚拟空间，用户所看到和接触到的都是该虚拟地址，无法看到实际的物理内存地址。利用这种虚拟地址不但能起到保护操作系统的效果（用户不能直接访问物理内存），而且更重要的是，用户程序可使用比实际物理内存更大的地址空间。

共享的问题

Q1.

阅读并编译运行该程序，观察输出结果，说明程序功能。（编译命令：gcc -o thread thread.c -Wall –pthread）（执行命令1：./thread 1000）

A1.

程序执行的输出结果如图：
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阅读代码可知，程序的功能为开启两个线程，同时执行子函数worker，实现对counter变量的loops*2次累加，最后打印counter的初值和累加结果。

Q2.

尝试其他输入参数并执行，并总结执行结果的有何规律？你能尝试解释它吗？（例如执行命令2：./thread 100000）（或者其他参数。）

A2.

更改参数，程序执行的输出结果如图：
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从输出结果可以发现，counter的final值为输入参数的2倍，初始值恒为0.
原因：虽然程序同时创建了两个线程执行worker函数，但两个线程均是对同一个counter变量进行相同次数的累加，所以最终结果总为loops的2倍，即输入参数argc的2倍。

参考文献

使用库函数API和C代码中嵌入汇编代码两种方式使用同一个系统调用：https://blog.csdn.net/sunyeyi/article/details/44702575

linux系统调用号查询：https://blog.csdn.net/u012763794/article/details/78777938

Linux内存管理：https://www.cnblogs.com/ralap7/p/9184773.html

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