华南理工大学《操作系统》大作业报告(共19页).docx

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1、精选优质文档-倾情为你奉上华南理工大学操作系统大作业报告题目：高级操作系统与分布式系统大作业学 院 计算机科学与工程 专 业 计算机科学与技术（全英创新班） 学生姓名 xxxxxx 学生学号 2012* 联系方式 _(Tel)/(QQ)_指导教师 吴一民 课程编号 S 课程学分 2 分 起始日期 2016年1月11日 实验概述【实验目的及要求】内核版本要求: Linux-2.6.18实验任务: 1.修改system_call（），使内核能够记录每一个系统调用被使用的次数。同时，为了使应用程序能够查询到这些数据，本实验要求实现两个系统调用，一个供应用程序来查询某个特定系统调用被使用的次数，另一个

2、系统调用将系统调用计数清零。编制一个用户态程序调用你所增加的这两个系统调用，统计在一段时间内各系统调用被调用的次数。2.修改系统的缺页异常处理程序使之能够记录系统缺页次数和当前进程的缺页次数。同样，本实验也要求实现两个系统调用，一个供应用程序查询缺页次数，另一个系统调用将缺页计数清零。编制一个用户态程序你所增加的这两个系统调用，统计在一段时间内你的进程缺页的次数。【实验环境】操作系统: Centos-5.8-i386(内核版本2.6.18-308)编译的内核: 2.6.18虚拟机: 12.1.0.2487【虚拟机账号密码】账号：root密码：aaasss实验一实验内容【实验原理】linux系统

3、调用是linux在其内核里都有一些内建的，这些函数可以用来完成一些系统级别的功能。这些代表了从到的一种转换，例如在用户空间调用open函数，则会在调用sys_open。Linux中每个系统调用都有相应的系统调用号，这样，通过这个独一无二的号就可以关联系统调用。当用户空间的进程执行一个系统调用的时候，这个系统调用号就被用来指明到底是要执行哪个系统调用。进程不会提及系统调用的名称。在这次试验采用的linux-2.6.18内核中共有317个系统调用，他们储存在sys_call_table的数据结构当中，这个数据结构在此内核中的entry.S中定义。sys_call_table是一张由指向实现各种系统

4、调用的内核函数的函数指针组成的表。在用户空间无法直接调用系统调用来执行内核代码，所以需要通过软中断的方式来实现系统调用。通过int $0x80指令产生系统软中断，触发异常使得系统切换到内核态执行128号异常处理程序，调用system_call()函数。但是仅仅陷入内核空间是不够的，还需要通过eax寄存器把相应的系统调用号传递给内核。在陷人内核之前，用户空间就把相应系统调用所对应的号放入eax中了。这样系统调用处理程序一旦运行，就可以从eax中得到数据。system_call()函数通过将给定的系统调用号与NR_syscalls做比较来检查其有效性。如果它大于或者等于NR syscalls,该函

5、数就返回一ENOSYS。否则，就执行相应的系统调用。由于系统调用表中的表项是以32位(4字节)类型存放的，所以内核需要将给定的系统调用号乘以4，然后用所得的结果在该表中查询其位置。Linux系统本身并未有记录系统调用次数的数据结构，因此我们需要在内核中定义一个全局数组来记录每个系统调用被执行的次数。从调用的原理上看，要记录每个系统调用被执行的次数，我们可以在system_call()参数检查成功后，对相应的系统调用次数做一次增量操作，这样就完成了执行次数记录的工作。为了能得到该数组信息和对该数组进行操作，我们还需要定义自己的系统调用。我们定义的系统调用可以相应地在entry.S中的sys_ca

6、ll_table添加，并重新编译内核，使用该函数。实验过程：内核安装1. 安装vmware workstation，并在其上安装CentOS 5.8。2. 安装vmware-tools，设置共享文件夹。并把内核文件linux-2.6.18.tar.xz下载至共享文件夹当中（/mnt/hgfs/sharedFiles）。3. 登录root，把内核文件压缩包解压至/usr/src目录下：# tar -xvf linux-3.13.2.tar.xz -C /usr/src/4. 安装gcc和ncurses包：yum -y install gccyum install ncurses ncurses-

7、deve5. 进行内核配置：make menuconfig6. 进入usr/src/linux-2.6.18/目录编译内核：cd usr/src/linux-2.6.18/makemake modules_install7. 安装内核：make install8. 内核版本验证：vim /boot/grub/grub.conf 查看内核版本列表，可以看到2.6.18内核已安装，修改default=0，默认启动新安装的内核。9. 重启，查看内核版本：uname a 内核从2.6.18-308变为2.6.18，内核安装成功。记录系统调用次数1. 创建一个全局数组记录系统调用次数在/usr/src/

8、linux-2.6.18/kernel/sys.c中添加一个callCount数组记录系统调用次数vim /usr/src/linux-2.6.18/kernel/sys.clong callCount NR_syscalls;EXPORT_SYMBOL (callCount);其中NR_syacalls是sys.c中的一个宏，记录了系统调用的数量。2. 修改system_call()，使其能对每个系统调用进行计数在/usr/src/linux-2.6.18/arch/i386/kernel/entry.S的syscall_call:和call *sys_call_table (,%eax,4

9、)之间插入语句： vim /usr/src/linux-2.6.18/arch/i386/kernel/entry.Sincl callCount(,%eax,4) incl callCount(,%eax,4)这条会变代码的含义是：incl是对后面的地址的内容进行自增操作，也就是对callCount(,%eax,4)这个元素的内容+1。其中eax是用户空间传递到eax寄存器中的系统调用号。,%eax,4的含义是eax寄存器里面的值乘以4，由于系统调用表中的表项是以32位(4字节)类型存放的，所以内核需要将给定的系统调用号乘以4，所以是对callCount第%eax*4个元素进行增量操作。3.

10、 在系统调用表中增加表项在/usr/src/linux-2.6.18/arch/i386/kernel/syscall_table.S尾部添加三个系统调用的表项：.long sys_allSysCall.long sys_spcSysCall.long sys_clrSysCall翻到syscall_table.S的头部可以看到下图内容，这个文件存储的是系统调用表，实际上就是sys_call_table这个数组，共有NR_syscalls个表项。语句前面的点号.指的是当前的地址，sys_call_table是数组的首地址，调用表中的第321个表项sys_clrSysCall指代系统调用号为32

11、0的clcSysCall()服务例程地址。这个表项的作用就是用来通过系统调用号索引内核服务例程。4. 为三个新增的系统调用添加系统调用号的宏在/usr/src/linux-2.6.18/include/asm/unistd.h中添加三个系统调用的调用号：#define _NR_allSysCall318#define _NR_spcSysCall 319#define _NR_clrSysCall 320把_NR_syscalls这个记录系统调用总数的宏增加3#define _NR_syscalls 3215. 在头文件中声明三个系统调用在/usr/src/linux-2.6.18/inclu

12、de/linux/syscalls.h的尾部添加：asmlinkage int sys_allSysCall(void);asmlinkage int sys_spcSysCall(int sys_callNum);asmlinkage int sys_clrSysCall(void);syscall.h这个头文件适用于实现系统调用表中指向的服务例程，在本实验中，我定义了三个函数：(1) allSysCall：接受0个参数，用于显示所有系统调用被执行的次数。(2) spcSysCall: 接受1个参数，查询的系统调用号作为参数，用于显示某个特定的系统调用被执行的次数，返回值为该系统调用被调用的

13、次数。参数不合法时返回-1。(3) clrSysCall：接受0个参数，用于把系统调用次数数组清零。6. 为三个系统调用增加具体实现在/usr/src/linux-2.6.18/kernel/sys.c中实现这三个函数：asmlinkage int sys_allSysCall(void)int i=0;printk(Times of system callsn);for(;iNR_syscalls;i+) printk(System call %d was called %ld times. n,i,callCounti);return 0; asmlinkage int sys_spcSy

14、sCall(int callNum)if(callNum = 0) printk(System call -%d has been call %ld time(s). n,callNum,mycountcallNum);return callCountcallNum; elseprintk(Inviliad system call number.n);return -1; asmlinkage int sys_clrSysCall(void)int i=0; for (;i NR_syscalls;i+) callCounti=0;printk(Times of system call set

15、ted to 0.n);return 0; 7. 重新编译内核8. 编写测试函数（1） 测试allSysCall():test_allSysCall.c #include#include#include#include#define test_allSysCall 318int main()syscall(test_allSysCall);return 0;测试结果：所有系统调用的次数都已被列出（这里只显示前几个），函数正常工作。（2） 测试spcSysCall():test_spcSysCall.c#include#include#include#include#define test_sp

16、cSysCall 319int main()int sysNum;scanf(%d,&sysNum);syscall(test_spcSysCall,sysNum);return 0;测试结果：第200个系统调用被调用3685次，函数正常工作。（3） 测试spcSysCall():test_clrSysCall.c#include#include#include#include#define test_allSysCall 318#define test_clrSysCall 320int main()syscall(test_clrSysCall);syscall(test_allSysCa

17、ll);return 0;测试结果：所有系统调用执行次数都被清零，除了部分函数立即得到执行，计数为1，函数正常工作。如何验证我的代码1. 进入虚拟机，通过账号root，密码aaasss登录，进入目录/home/testSCcd /home/testSC2. 验证allSysCall()函数(列出所有系统调用执行次数)，执行如下命令：gcc -o result_allSysCall test_allSysCall.c (执行test_allSysCall.c代码，生成可执行文件result_allSysCall)./result_allSysCall（运行代码查看执行结果，在这里能看到所有系统调

18、用执行次数）3. 验证clrSysCall()函数(清零所有系统调用执行次数)，执行如下命令：gcc o result_clrSysCall test_clrSysCall.c (执行test_clrSysCall.c代码，生成可执行文件result_clrSysCal中)./result_clrSysCall（运行代码查看执行结果，这里能清零所有系统调用执行次数，并查看清零结果）4. 验证spcSysCall()函数(列出特定系统调用执行次数)，执行如下命令：gcc -o result_spcSysCall test_spcSysCall.c (执行test_spcSysCall.c代码，生

19、成可执行文件result_spcSysCall)./result_spcSysCall200（运行代码查看执行结果，在这里能看到特定系统调用执行次数，其中200是你想查询的系统调用号，当然也可以输入其他号码，1320皆可）实验一小结本人一直是windows用户，对linxu不甚了解，这次试验我先对linux进行了学习，发现其操作也是挺友好的，试用了几个小时有图形界面的ubuntu之后直接就装上了无界面的CentOS server，发现其使用也不是很困难。在这次试验中加强了我对系统调用的理解。系统调用是用户空间和内核空间的桥梁。用户空间无法进入内核执行内核代码，所以通过软中断的方式告诉内核从而间

20、接执行系统调用。用户程序首先出发一个$0x80指令引发软中断，促使系统调用128号异常处理程序来执行异常处理，在发出该指令的同时，用户程序还把希望调用的系统调用的而编号传到了eax寄存器上面。内核执行128号异常处理程序时，从eax寄存器读取系统调用号，进行系统调用。这就完成了系统调用的整个过程。这次新增的3个系统调用都正常工作，使得我能够熟悉地添加自己需要的系统调用，把系统调用为我所用。指导教师评语及成绩：评语：成绩: 指导教师签名：批阅日期：实验二实验内容【实验原理】虚拟内存技术使得进程线性地址空间里面的页面不必要一直常驻在内存当中。当i386架构的CPU请求一个页面时，将一个线性虚拟地址

21、映射到物理地址的过程中，如果这个地址的映射已经建立，但是发现相应的页面表项Present标记为0的时候，就说明相应的物理页不在内存当中，就会产生缺页中断。每个CPU都提供了一个do_page_fault()函数来处理中断。因此我们可以定义一个全局统计变量，并在进程的数据结构中增加一个缺页计数变量，每一次发生缺页的时候，都在do_page_fault()函数中对这两个变量做一次增量操作，这就完成了缺页次数的计数。同时增加三个系统调用，一个用来显示总的缺页次数和每个进程的缺页次数，一个用来查询特定进程的缺页次数，还有一个用于对总的缺页次数和每个进程的缺页次数清零。实验过程：缺页查询、清零1. 在进

22、程的task_struct中新增一个计数变量，用于记录进程发生缺页的次数在/usr/src/linux-2.6.18/include/linux/sched.h中添加一个faultTimes成员vim /usr/src/linux-2.6.18/include/linux/sched.hlong faultTimes;2. 进程初始化时，为faultTimes清零在/usr/src/linux-2.6.18/include/linux/init_task.h的进程初始化#define INIT_TASK(tsk)宏中使faultTimes清零： vim /usr/src/linux-2.6.1

23、8/include/linux/init_task.h.faultTimes =0, 3. 复制进程时，为faultTimes清零在/usr/src/linux-2.6.18/kernel/fork.c的copy_process()函数为进程复制调用的函数，在该函数返回之前，为faultTimes清零：vim /usr/src/linux-2.6.18/kernel/fork.c p- faultTimes = 0;4. 定义一个全局变量用来记录总的缺页次数，并为该变量加自旋锁在/usr/src/linux-2.6.18/arch/i386/mm/fault.c中增加一个totalFault变

24、量记录总的缺页次数。因为内核抢占等原因会造成异步执行，所以要对该变量加上自旋锁pageLock：vim /usr/src/linux-2.6.18/arch/i386/mm/fault.cunsigned long totalFault=0; spinlock_t pageLock=SPIN_LOCK_UNLOCKED; unsigned long lockFlag;EXPORT_SYMBOL（totalFault）;EXPORT_SYMBOL（pageLock）;EXPORT_SYMBOL（lockFlag）;5. 实现缺页计数器自增操作每次发生缺页时，会调用/usr/src/linux-2

25、.6.18/arch/i386/mm/fault.c中的do_page_fault()函数，在该函数tsk = current之后完成自增操作，同时注意使用自旋锁保护变量：vim /usr/src/linux-2.6.18/arch/i386/mm/fault.cspin_lock_irqsave(&pageLock,lockFlag);totalFault+;spin_unlock_irqrestore(&pageLock,lockFlag);spin_lock_irqsave(&pageLock,lockFlag);tsk-faultTimes+;spin_unlock_irqrestor

26、e(&pageLock,lockFlag);6. 在系统调用表中增加表项在/usr/src/linux-2.6.18/arch/i386/kernel/syscall_table.S尾部添加三个系统调用的表项：.long sys_allFault.long sys_spcFault.long sys_clrFault翻到syscall_table.S的头部可以看到下图内容，这个文件存储的是系统调用表，实际上就是sys_call_table这个数组，共有NR_syscalls个表项。语句前面的点号.指的是当前的地址，sys_call_table是数组的首地址，调用表中的第323个表项sys_cl

27、rFault() 指代系统调用号为322的clcFault ()服务例程地址。这个表项的作用就是用来通过系统调用号索引内核服务例程。7. 为三个新增的系统调用添加系统调用号的宏在/usr/src/linux-2.6.18/include/asm/unistd.h中添加三个系统调用的调用号：#define _NR_allFault 321#define _NR_spcFault 322#define _NR_clrFault 323把_NR_syscalls这个记录系统调用总数的宏增加3#define _NR_syscalls 3248. 在头文件中声明三个系统调用在/usr/src/linux

28、-2.6.18/include/linux/syscalls.h的尾部添加：asmlinkage int sys_allFault(void);asmlinkage int sys_spcFault(int pid);asmlinkage int sys_clrFault(void);syscall.h这个头文件适用于实现系统调用表中指向的服务例程，在本实验中，我定义了三个函数：(1) allFault：接受0个参数，用于显示所有进程的缺页次数和总的缺页数。(2) spcFault: 接受1个参数，查询的进程PID作为参数，用于显示某个特定的进程缺页的次数，返回值为该进程缺页的次数。参数不合法

29、时返回-1。(3) clrFault：接受0个参数，用于把进程缺页计数和总缺页数清零。9. 在实现系统调用的c文件中引用缺页计数器和自旋锁的定义在/usr/src/linux-2.6.18/kernel/sys.c中引用在fault.c中定义的totalFault，pageLock和lockFlag变量，否则不能访问这几个变量：extern unsigned long totalFault; extern spinlock_t pageLock; extern unsigned long lockFlag;10. 为三个系统调用增加具体实现在/usr/src/linux-2.6.18/kern

30、el/sys.c中实现这三个函数：vim /usr/src/linux-2.6.18/kernel/sys.casmlinkage int sys_allFault(void) struct task_struct *pfTask;printk(Total faults: %ld timesn,totalFault);for_each_process(pfTask) printk(Task %d : (%ld) times for page fault.n,pfTask-pid,pfTask-faultTimes); return 0;asmlinkage int sys_spcFault(i

31、nt pid)struct task_struct *pfTask;for_each_process(pfTask)if(pfTask-pid=pid) printk(Task %d : (%ld) times for page fault.n,pfTask-pid,pfTask-faultTimes); return pfTask-faultTimes; return -1;asmlinkage int sys_clrFault(void) struct task_struct *pfTask;spin_lock_irqsave(&pageLock,lockFlag);totalFault=

32、0;for_each_process(pfTask)pfTask-faultTimes=0;spin_unlock_irqrestore(&pageLock,lockFlag); printk(Fault times cleared. n);return 0; 11. 重新编译内核12. 编写测试函数（1） 测试allFault ():test_allFault.c #include#include#include#include#define sys_allFault 321int main()syscall(sys_allFault);return 0;测试结果：所有进程的缺页次数、总的缺

33、页次数都已被列出（这里只显示部分几个），函数正常工作。（2） 测试spcFault ():test_spcFault.c#include#include#include#include#define sys_spcFault 322int main()int tskNum;scanf(%d,&tskNum);syscall(sys_spcFault,tskNum);return 0;测试结果：PID为 的进程缺页 次，函数正常工作。（3） 测试clrFault ():test_clrSysCall.c#include#include#include#include#define sys_all

34、Fault 321#define sys_clrFault 323int main()printf(-Fault times before clear-n);syscall(sys_allFault);printf(-Clearing fault times-n);syscall(sys_clrFault);printf(-Fault times after clear-n);syscall(sys_allFault);return 0;测试结果：总的缺页次数清零，进程的缺页清零，函数正常工作。如何验证我的代码 1. 进入虚拟机，通过账号root，密码aaasss登录，进入目录/home/te

35、stSCcd /home/testSC2. 验证allFault()函数(列出总缺页次数和所有进程缺页次数)，执行：gcc -o result_allFault test_allFault.c (执行test_allFault.c代码，生成可执行文件result_allFault)./result_allFault（运行代码查看执行结果，在这里能看到所有系统调用执行次数）3. 验证clrFault()函数(清零总缺页次数和所有进程缺页次数)，执行：gcc o result_clrFault test_clrFault.c (执行test_clrFault.c代码，生成可执行文件result_c

36、lrSysCal中)./result_clrFault（运行代码查看执行结果，这里能清零所有系统调用执行次数，并查看清零结果）4. 验证spcFault ()函数(查询特定进程缺页次数)，执行如下命令：gcc -o result_spcFault test_spcFault.c (执行test_spcFault.c代码，生成可执行文件result_spcFault)./result_spcFault1（运行代码查看执行结果，在这里能看到特定进程缺页次数，其中1是你想查询的进程pid，当然也可以输入其他号码，因为进程PID不是顺序排的，所以建议选110之间的号码）实验二小结在完成第一个实验的基础

37、上，第二个实验的实现变得简单很多。第一次实验当中，本人曾经尝试ubuntu desktop 5.04、ubuntu desktop 6.06、ubuntu desktop 7.10、ubuntu desktop 8.04、ubuntu desktop 14.10、ubuntu server 14.04、centOS 5.2、centOS-5.8-X86,但是在这些系统上面完成实验一都有各自的bug，有的甚至在安装虚拟机的过程中都困难重重。最终我选对了系统，选定了CentOS-5.8-i386，但是由于对内核的不熟悉，多次编译都出各自问题。在经过多次的失败，现在已经非常熟悉内核编译过程、添加新系

38、统调用的过程。在实验一的基础上，只需要把重点放在研究系统缺页原理上即可，其他操作都水到渠成。修改内核、增加系统调用的重点在于了解你要修改的内容的工作机制，了解它会进入哪些函数，访问哪些内存，如果对它的工作流程有了清晰的了解，那么修改它也是得心应手的事情了。对于这个实验来说，要统计缺页次数，首先我们该了解什么是缺页，缺页时处理器将一个线性地址映射为物理地址的过程中，如果该地址的映射已经建立，但是发现相应的页面表项的P（Present）标志为0，则表明相应的物理页面不在内存，就产生缺页。缺页会产生系统中断，调用终端处理程序。而这个处理程序必经的一个函数就是我们要下手的do_page_fault()

39、。我们要做的工作就是在这个函数里面对缺页次数做递增操作，那样，以后每次产生缺页时都能做一次计数。至于怎样定义变量来记录这些缺页就是简单的事情了。但是要注意的是由于存在内核可抢占的问题，缺页计数可能出现不一致的问题，虽然在这次实验中发生的几率不大，也无法观测，但是为了严谨起见，添加一个自旋锁何乐而不为。有了这个计数器之后，怎样增加系统调用就可以根据实验一按部就班了。在完成这两个实验之后，觉得修改内核也不是那么困难的事，这些可修改的特性方便了我们自己定制属于自己的系统，而且无界面的linux操作也是那么简单明了高效，使得我这个长期的windows使用者也被linux的魅力所吸引。指导教师评语及成绩：评语：成绩: 指导教师签名：批阅日期：专心-专注-专业