操作系统实验一：实验环境搭建与系统调用（在VMWare中安装xv6）

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一、实验目的

二、具体任务安排

1.实验环境搭建

 2.系统调用

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近来有空闲，把前几个学期做的实验上传上来。如有错误的地方欢迎大佬批评指正，有更好的方法也期待您的分享~

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一、实验目的

在Windows中安装VMWare虚拟机、在虚拟机中编译安装Qemu、最终建立建立xv6运行环境、使用open, read, write, close等进行文件操作；使用fork, wait, exec, exit等系统调用实现进程控制。

二、具体任务安排

1.实验环境搭建

（1）安装虚拟机软件 + Ubuntu系统 + Qemu虚拟机 + XV6教学系统

①安装虚拟机软件VMware Workstation Pro

下载并配置VMware Workstation Pro 17.0，打开软件之后界面如图1。

 ②安装Ubuntu系统

打开VMware Workstation Pro 17.0→【创建新的虚拟机】→【自定义(高级)(C)】→【下一步】→【下一步】→【稍后安装操作系统】→【下一步】→【下一步】→位置(L)【浏览(R)...】→【下一步】。

接下来配置虚拟机的处理器、内存，这取决于电脑自身配置。

虚拟机的处理器最好不要超过一半。【WIN+R】→进入【cmd命令行】→输入【devmgmt.msc】→查看处理器的配置。由图3可见，我的电脑是8核，因此【每个处理器的核心数量(C)】选择4→【下一步】。

虚拟机的内存需要根据物理机性能合理配置，一般设置为物理机运行内存的一半即可。【此虚拟机内存(M)】填写4096→网络连接【使用网络地址转换(NAT)(E)】→I/O控制器类型【LSI Logic(L)】→选择磁盘类型【SCSI(S)】→磁盘【创建新虚拟磁盘(V)】→指定磁盘容量【最大磁盘大小(GB)(S)】填写20.0→【将虚拟磁盘拆分成多个文件(M)】→【自定义硬件(C)...】→移除打印机→【完成】，如图4。

出现如图5界面，说明虚拟机已经创建成功，在侧边栏可以看到新建的虚拟机。

接下来安装Ubantu22.04.4系统。【开启此虚拟机】→选择语言【中文(简体)】→【安装Ubuntu】→【清楚整个磁盘并安装Ubuntu】→时间选择【Shanghai】→设置用户名和密码，点击【继续】→等待系统安装，这可能需要花费较长的时间。安装完成后会出现如图6界面，按提示重启虚拟机完成安装。重启后，系统已经安装成功了，桌面如图6所示。

 ③安装Qemu虚拟机

按下【Ctrl+Alt+T】在桌面打开命令行→输入命令【sudo apt-get install gcc】。另外，下载前要求输入系统密码，但是怎么输入都无法显示。经搜索发现，输入不显示是为了密码安全。虽然没有显示在屏幕上，但数字确实输进去了，输完密码按回车键就可以了，如图7所示。

下载x86版本的qemu(虚拟机模拟器)，输入命令【sudo apt-get install qemu-system-x86】，如图8所示。

 ④安装XV6教学系统

确保有Git存在 git --version，输入命令【sudo apt-get install git】，如图9所示。

输入命令【git clone https://github/mit-pdos/xv6-public. git】，如图10所示。

输入命令【cd xv6-public】进入刚刚clone的文件夹里→输入命令【make qemu】。提示“找不到命令“make”，但可以通过以下软件包安装它:”。按照提示，分别输入命令【sudo apt install make】和【sudo apt install make-guile】，如图11所示。

下载完后，再次输入命令【make qemu】，可顺利看见Qemu窗口，如图12所示。

（2）在Ubuntu系统中编写C语言程序打印“Hello, 郑千艺”，将该程序导入XV6系统，在XV6系统中成功运行并截图证明。

①安装jetbrains

1）注册领取免费产品

在jetbrains官网【https://account.jetbrains/login】上用学校邮箱注册账号，如图13所示。

在【https://www.jetbrains/shop/eform/students】用学校邮箱申请学生免费license，然后跟着收到的邮件激活，成功界面如图14所示。

 2）安装产品

在官网【https://www.jetbrains/toolbox-app/】下载jetbrains toolbox，注意选择文件后缀为tar.gz。

下载下来的文件放到Ubuntu虚拟机里面并解压。【crtl＋alt＋t】进入终端→【ls】查看当前路径下的文件→【cd jetbrains-toolbox-2.3.0.30876】进入文件夹→【sudo ./jetbrains-toolbox】运行jetbrains-toolbox。过程中报错如图15所示。

在网上找到解决方法。【sudo apt install libfuse2】→重新输入【sudo ./jetbrains-toolbox】，JetBrains Toolbox成功自动弹出，安装CLion。

②在Clion里面打开XV6所在的文件夹开始读/写代码

在CLion里面打开xv6所在的文件夹→新建C文件【hello.c】→输入代码，如图17所示。

【Makefile】UPROGS后面添加【_hello\】，如图18所示。

在终端中输入【cd xv6-public】→输入【make qemu】→输入【ls】，会发现创建的hello.c的可执行文件已经在里面了→输入【hello】运行该程序，成功在xv6系统中打印“Hello, 姓名”，如图19所示。

 2.系统调用

（1）编写程序在XV6系统中使用fork()方法生成子进程，然后父进程打印字符串“It’s Crychic!!!!!”(父)以及“It’s Mygo!!!!!”(子)。(10分)多次运行，截图展示你的结果，并通过课堂上讲过的进程调度的知识解释结果为何是这样的(10分)。

创建文件【fork_demo.c】→编写程序。

在程序的开始调用了一次fork()。检查fork()的返回值，如果小于0，则fork()失败，我们打印错误消息并退出。如果返回值等于0，则说明当前在子进程中执行，我们打印子进程的消息并退出。如果返回值大于0，则说明当前在父进程中执行，我们打印父进程的消息，等待子进程结束，然后退出，代码如图20所示。

fork()函数程序代码如下：

#include "types.h"  
#include "stat.h"  
#include "user.h"  
  
int main() {  
    int pid;  
    char *parent_msg = "It’s Crychic!!!!!\n";  
    char *child_msg = "It’s Mygo!!!!!\n";  
  
    pid = fork();  
  
    if (pid < 0) {  
        // fork失败  
        write(2, "fork failed\n", 13); // 注意字符串长度  
    } else if (pid == 0) {  
        // 这是子进程  
        write(1, child_msg, strlen(child_msg));  
    } else {  
        // 这是父进程  
        write(1, parent_msg, strlen(parent_msg));  
        // 等待子进程结束  
    }  
    exit();  
}  

多次运行程序，结果总是先输出“It’s Crychic!!!!!”，后输出“It’s Mygo!!!!!”，如图21所示。

结合课堂上讲过的进程调度的知识，可以解释为什么总是这个顺序：

①当父进程调用 fork() 时，它会复制自己的地址空间，包括代码、数据、堆和栈。这意味着子进程会从其父进程那里继承代码和当前执行位置。

②在 fork() 调用之后，父进程和子进程都继续执行 if-else 语句。

③在父进程中，pid 是子进程的进程ID（一个正整数），因此会执行 else 分支，输出“It’s Crychic!!!!!”。

④在子进程中，pid 是0，因此会执行 if (pid == 0) 分支，输出“It’s Mygo!!!!!”。

在理想情况下，父进程和子进程是并发执行的，因此它们的输出顺序并不是固定的。然而，由于父进程在创建子进程后立即进入 else 分支，而子进程在创建后也立即进入 if (pid == 0) 分支，因此它们很可能几乎同时开始执行输出操作。

在实践中，由于父进程是在调用 fork() 后立即检查 pid 的值，它可能稍微领先子进程一点点，导致“It’s Crychic!!!!!”先被输出。

（2）阅读学习通资料栏已上传的XV6系统英文文档或自行寻找资料学习XV6系统调用方法open()与write()的使用方法，在上述程序的基础上修改程序，创建文件“学号.band”，然后在其中将上述字符串改为分别写入文件(即原本print至stdout的字符串改为write至文件内)。(25分)

创建文件【write_demo.c】→编写程序。

在程序中，首先调用了fork()来创建子进程。对于子进程，使用open()函数来创建（如果文件不存在）或打开文件学号.band。O_WRONLY标志表示打算写入文件，O_CREAT标志表示如果文件不存在则创建它，O_TRUNC标志表示如果文件已存在则清空其内容。0666是文件权限设置，表示所有用户都有读写权限。

然后，使用write()函数将child_msg写入文件，调用close()来关闭文件描述符。

对于父进程，使用wait(NULL)来确保子进程在父进程写入文件之前已经完成其操作。之后，父进程使用open()打开文件，这次使用O_APPEND标志，这样写入的数据将被追加到文件的末尾，而不是覆盖现有内容。然后，父进程使用write()将parent_msg写入文件，并最后关闭文件描述符，最终代码如下：

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <string.h>  
#include <unistd.h>  
#include <sys/wait.h>  
#include <fcntl.h>  
  
int main() {  
    int pid;  
    char *parent_msg = "It’s Crychic!!!!!\n";  
    char *child_msg = "It’s Mygo!!!!!\n";  
    int fd;  
  
    // 创建或打开文件  
    fd = open("202211701129.band", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);  
    if (fd < 0) {  
        // open失败，处理错误  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    pid = fork();  
    if (pid < 0) {  
        // fork失败，处理错误  
        close(fd);  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    } else if (pid == 0) {  
        // 子进程  
        // 写入子进程的消息到文件  
        if (write(fd, child_msg, strlen(child_msg)) < 0) {  
            // write失败，处理错误  
            exit(EXIT_FAILURE);  
        }  
        close(fd);  
        exit(EXIT_SUCCESS);  
    } else {  
        // 父进程  
        // 等待子进程结束  
        wait(NULL);  
  
        // 写入父进程的消息到文件  
        // 注意：不需要lseek，因为write会自动在文件末尾追加内容  
        if (write(fd, parent_msg, strlen(parent_msg)) < 0) {  
            // write失败，处理错误  
            close(fd);  
            exit(EXIT_FAILURE);  
        }  
  
        close(fd);  
        exit(EXIT_SUCCESS);  
    }  
}  

程序运行结果如图21所示，上述字符串已经分别写入文件“学号.band”。

（3）讨论任务2b中open()方法调用与fork()方法调用的先后顺序改变会有怎样的不同。分别截图这两种情况的运行结果来证明你的答案。

①先运行open()创建文件再进行fork()。

在这种情况下，父进程首先打开了文件并清空其内容（由于使用了O_TRUNC标志）。然后，父进程创建了一个子进程，子进程继承了父进程的文件描述符。子进程首先写入它的消息，然后父进程写入它的消息。由于文件描述符是共享的，并且没有使用lseek来更改文件偏移量，write调用会在文件的当前位置（即文件末尾）追加内容。因此，文件的最终内容将是子进程的消息在前，父进程的消息在后，即：

It’s Mygo!!!!!  

It’s Crychic!!!!!

先运行open()创建文件再进行fork()程序代码如下：

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <string.h>  
#include <unistd.h>  
#include <sys/wait.h>  
#include <fcntl.h>  
  
int main() {  
    int pid;  
    char *parent_msg = "It’s Crychic!!!!!\n";  
    char *child_msg = "It’s Mygo!!!!!\n";  
    int fd;  
  
    // 先创建或打开文件  
    fd = open("202211701129.band", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);  
    if (fd < 0) {  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    pid = fork();  
    if (pid < 0) {  
        close(fd);  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    } else if (pid == 0) {  
        // 子进程  
        if (write(fd, child_msg, strlen(child_msg)) < 0) {  
            exit(EXIT_FAILURE);  
        }  
        close(fd);  
        exit(EXIT_SUCCESS);  
    } else {  
        // 父进程  
        wait(NULL);  
        if (write(fd, parent_msg, strlen(parent_msg)) < 0) {  
            close(fd);  
            exit(EXIT_FAILURE);  
        }  
        close(fd);  
        exit(EXIT_SUCCESS);  
    }  
}  

先open()后fork()运行结果如图22所示。

 ②先fork()再让父子进程分别调用open()

在这种情况下，父进程首先创建了一个子进程，然后父进程和子进程各自打开了同一个文件，并且由于使用了O_TRUNC标志，它们都会清空文件的内容。这意味着，无论哪个进程先运行，它都会清空文件内容，然后写入自己的消息。因此，文件的最终内容只会是父进程或子进程的消息之一，而不是两者的组合。

如果子进程先运行，则最终文件内容为：

It’s Mygo!!!!!

如果父进程先运行，则最终文件内容为：

It’s Crychic!!!!!

由于进程的执行顺序是不确定的，因此我们不能确定哪个进程会先运行。所以，最终的文件内容可能是子进程的消息，也可能是父进程的消息，但不会是两者的拼接。

先fork()再让父子进程分别调用open()程序代码如下：

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <string.h>  
#include <unistd.h>  
#include <sys/wait.h>  
#include <fcntl.h>  
  
int main() {  
    int pid;  
    char *parent_msg = "It’s Crychic!!!!!\n";  
    char *child_msg = "It’s Mygo!!!!!\n";  
    int fd;  
  
    pid = fork();  
    if (pid < 0) {  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    } else if (pid == 0) {  
        // 子进程  
        fd = open("202211701129.band", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);  
        if (fd < 0) {  
            exit(EXIT_FAILURE);  
        }  
        if (write(fd, child_msg, strlen(child_msg)) < 0) {  
            close(fd);  
            exit(EXIT_FAILURE);  
        }  
        close(fd);  
        exit(EXIT_SUCCESS);  
    } else {  
        // 父进程  
        wait(NULL);  
        fd = open("202211701129.band", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);  
        if (fd < 0) {  
            exit(EXIT_FAILURE);  
        }  
        if (write(fd, parent_msg, strlen(parent_msg)) < 0) {  
            close(fd);  
            exit(EXIT_FAILURE);  
        }  
        close(fd);  
        exit(EXIT_SUCCESS);  
    }  
}  

先fork()后open()运行结果如图23所示。

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