myreport

hexo部署一篇操作系统实验报告:

![](./myreport/截屏2023-05-08 上午9.34.08.png)

插入图片路径存在问题,导致图片无法显示,故此篇尝试解决,成功。

![](./myreport/截屏2023-05-08 上午9.51.28.png)

要添加图片,先npm install 一个hexo-asset-image的依赖:

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npm install https://github.com/CodeFalling/hexo-asset-image --save

然后把_config.yml中的post_asset_folder设为true,这个配置的意思是每次new post一个博客,会增加一个和博客同名的文件夹。

这次再尝试,通过。

myhomework

课程名称:操作系统 年级:2020级 上机实践成绩
指导教师:翁楚良 姓名:陈柏延 学号:10205501441
上机实践名称:Minix3-进程管理 上机实践日期:2022.3.25
上机实践编号:02 组号 上机实践时间:2022.3.25

OS-Project2

一、实验目的

  1. 巩固操作系统的进程调度机制和策略

  2. 熟悉 MINIX 系统调用和 MINIX 调度器的实现

  3. 熟悉安装和调试MINIX3.3.0操作系统

  4. 巩固操作系统通过串口输出信息

二、实验环境

  • 物理机:MacOS 11.6
  • 虚拟机:Minix 3
  • 虚拟机软件:Vmware
  • 物理机通过ssh远程连接虚拟机
  • 代码搜索与编辑:vscode
  • 物理机与虚拟机间文件传输:FileZilla

三、实验要求

在MINIX3中实现Earliest-Deadline-First近似实时调度功能

  1. 提供设置进程执行期限的系统调==chrt(long deadline)==,用于将调用该系统调用的进程设为实时进程,其执行的期限为:从调用处开始deadline秒。

​ 实现时示例:

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#include <unistd.h>
......
chrt(10);/* 该程序将可以运行的最长时间为10秒,若没有运行结束,则 强制结束*/
......

​ chrt的定义: int chrt(long deadline);

​ /*deadline 是最后期限值(秒),返回值1表示成功,返回值0表示该调用出错 */

  1. 在内核进程表中需要增加一个条目,用于表示进程的实时属性; 修改相关代码,新增一个系统调用chrt,用于设置其进程表中的 实时属性。
  2. 修改proc.c和proc.h中相关的调度代码,实现最早deadline的用户进程相对于其它用户进程具有更高的优先级,从而被优先调度运行。
  3. 在用户程序中,可以在不同位置调用多次chrt系统调用,在未到 deadline之前,调用chrt将会改变该程序的deadline。
  4. 未调用chrt的程序将以普通的用户进程(非实时进程)在系统中运行。

四、实现过程

实现过程可分为==增加系统调用chrt部分==与==更改与deadline相关的进程调度部分。==

准备过程:先在虚拟机中下载minix3.3.0源码,编译生成新的kernel后重启虚拟机。为了便于修改代码及观察代码各层之间的关系,将关键文件通过FileZilla上传至物理机,通过vscode观察调用关系、全局搜索。

如图:截屏2022-04-16 上午10.10.30接下来按照应用层、服务层、内核层、进程调度的顺序依次更改源代码。

增加系统调用chrt

MINIX3中的系统调用结构分成三个层次:应用层、服务层、内核层。在这三层中分别进行代码修改,实现系统调用chrt的信息传递。从应用层用_syscall将信息传递到服务层,在服务层用 _kernel_call将信息传递到内核层,在内核层对进程结构体增加 deadline成员。

应用层

从应用层用_syscall将信息传递到服务层,用户调用 chrt 系统调用,将 deadline 传入到服务层。需要添加的系统调用chrt可以定义在unistd头文件中, 并在libc中添加chrt函数体实现 。

  1. /usr/src/include/unistd.h 中添加chrt函数定义(直接添加函数定义即可)。
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int chrt(long );
  1. /usr/src/minix/lib/libc/sys/chrt.c中添加chrt函数实现,用alarm函数实现超时强制终止。参照该文件夹下fork.c文件,在实现中通过_syscall(调用号)传递到服务层。

**_syscall(PM_PROC_NR,PM_CHRT,&m)**中调用的服务为将 deadline 放入消息结构体,由于deadline存的数据类型为long,所以在message消息结构体中寻找long型,利用vscode寻找得到message结构体定义在/usr/src/minix/include/minix/ipc.h中,m2l1为结构体中的long类型,且查找到#define m2_l1 m_m2.m2l1宏定义,因此将deadline存入m2_l1。

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:加上当前时间是要记录进程终止时间赋值给 deadline,保证每次调用的进程是当前剩余运行时间最少的。

chrt函数实现如下

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#include <sys/cdefs.h>
#include "namespace.h"
#include <lib.h>

#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <time.h>

int chrt(long deadline){
struct timeval tv;//使用来获得时间
struct timezone tz;//是用来获得时区
message m;
memset(&m,0,sizeof(m));
//设置alarm
alarm((unsigned int)deadline);
if(deadline>0){
gettimeofday(&tv,&tz);//用来获取当前的时间的函数
deadline = tv.tv_sec + deadline;
}
//存deadline
m.m2_l1=deadline;
//把m传到服务层当中去
return(_syscall(PM_PROC_NR,PM_CHRT,&m));
}
  1. /usr/src/minix/lib/libc/sysMakefile.inc文件添加chrt.c条目
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每一次添加C文件后,要在同目录下Makefile.inc中添加条目。

服务层

需要向MINIX系统的进程管理服务中注册chrt,使得 chrt服务可以向应用层提供deadline 。

  1. /usr/src/minix/servers/pm/proto.h中添加do_chrt函数定义。
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int do_chrt(void);
  1. /usr/src/minix/servers/pm/chrt.c中添加do_chrt函数,do_chrt 的功能是调用 sys_chrt()函数,属于内核调用,who_p 是传递进程号,消息结构体传递 deadline 内容。
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#include"pm.h"
#include<minix/syslib.h>
#include<minix/callnr.h>
#include<sys/wait.h>
#include<minix/com.h>
#include <minix/vm.h>
#include "mproc.h"
#include <sys/ptrace.h>
#include <sys/resource.h>
#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include<minix/sched.h>
#include <assert.h>
int do_chrt()
{
// who_p 是用来获取进程信息的,类型是endpoint_t;m_in.m2_l1就是deadline
sys_chrt(who_p, m_in.m2_l1);
return (OK); //OK宏定义为0
}
  1. /usr/src/minix/include/minix/callnr.h中定义PM_CHRT编号,用来帮助应用层的系统调用能找到。
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/* Message type 0 is traditionally reserved. */
#define PM_EXIT (PM_BASE + 1)
#define PM_FORK (PM_BASE + 2)
#define PM_WAITPID (PM_BASE + 3)
#define PM_GETPID (PM_BASE + 4)
#define PM_SETUID (PM_BASE + 5)
#define PM_GETUID (PM_BASE + 6)
#define PM_STIME (PM_BASE + 7)
#define PM_PTRACE (PM_BASE + 8)
#define PM_SETGROUPS (PM_BASE + 9)
#define PM_GETGROUPS (PM_BASE + 10)
#define PM_KILL (PM_BASE + 11)
#define PM_SETGID (PM_BASE + 12)
#define PM_GETGID (PM_BASE + 13)
#define PM_EXEC (PM_BASE + 14)
#define PM_SETSID (PM_BASE + 15)
#define PM_GETPGRP (PM_BASE + 16)
#define PM_ITIMER (PM_BASE + 17)
#define PM_GETMCONTEXT (PM_BASE + 18)
#define PM_SETMCONTEXT (PM_BASE + 19)
#define PM_SIGACTION (PM_BASE + 20)
#define PM_SIGSUSPEND (PM_BASE + 21)
#define PM_SIGPENDING (PM_BASE + 22)
#define PM_SIGPROCMASK (PM_BASE + 23)
#define PM_SIGRETURN (PM_BASE + 24)
#define PM_SYSUNAME (PM_BASE + 25)
#define PM_GETPRIORITY (PM_BASE + 26)
#define PM_SETPRIORITY (PM_BASE + 27)
#define PM_GETTIMEOFDAY (PM_BASE + 28)
#define PM_SETEUID (PM_BASE + 29)
#define PM_SETEGID (PM_BASE + 30)
#define PM_ISSETUGID (PM_BASE + 31)
#define PM_GETSID (PM_BASE + 32)
#define PM_CLOCK_GETRES (PM_BASE + 33)
#define PM_CLOCK_GETTIME (PM_BASE + 34)
#define PM_CLOCK_SETTIME (PM_BASE + 35)
#define PM_GETRUSAGE (PM_BASE + 36)
#define PM_REBOOT (PM_BASE + 37)
#define PM_SVRCTL (PM_BASE + 38)
#define PM_SPROF (PM_BASE + 39)
#define PM_CPROF (PM_BASE + 40)
#define PM_SRV_FORK (PM_BASE + 41)
#define PM_SRV_KILL (PM_BASE + 42)
#define PM_EXEC_NEW (PM_BASE + 43)
#define PM_EXEC_RESTART (PM_BASE + 44)
#define PM_GETEPINFO (PM_BASE + 45)
#define PM_GETPROCNR (PM_BASE + 46)
#define PM_GETSYSINFO (PM_BASE + 47)
#define PM_CHRT (PM_BASE + 48)
#define NR_PM_CALLS 49 /* highest number from base plus one */
  1. /usr/src/minix/servers/pm/Makefile中添加chrt.c条目。
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  1. /usr/src/minix/servers/pm/table.c 中调用映射表。
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  1. /usr/src/minix/include/minix/syslib.h 中添加sys_ chrt () 定义。
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int sys_chrt(endpoint_t proc_ep,long deadline);
  1. /usr/src/minix/lib/libsys/sys_chrt.c 中添加sys_chrt () 实现。

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    #include "syslib.h"

    int sys_chrt(proc_ep,deadline)
    endpoint_t proc_ep; /* process doing the chrt */
    long deadline; /*set the deadline*/
    {
    /* A process got the deadline. Tell the kernel. */
    message m;
    int r;
    m.m2_i1 = proc_ep;//int
    m.m2_l1 = deadline;//long

    r = _kernel_call(SYS_CHRT, &m);
    //和syscall一样,通过SYS_CHRT和do_chrt的映射,把message传入内核层并调用do_chrt修改进程信息
    return r;
    }
  2. /usr/src/minix/lib/libsys 中的Makefile中添加sys_chrt.c条目。

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内核层

在MINIX内核中实现进程调度功能,此处可以直接修改内核信息,例如进程的截至时间。

  1. /usr/src/minix/kernel/system.h中添加do_chrt函数定义。
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int do_chrt(struct proc * caller, message *m_ptr);
#if ! USE_CHRT
#define do_chrt NULL
#endif
  1. /usr/src/minix/kernel/system/do_chrt.c中添加do_chrt函数实现。参考该文件下的do_fork文件,修改调用者进程信息。
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pid_t fork(void) {
return(_syscall(PM_PROC_NR, PM_FORK, &m)); }

用消息结构体中的进程号,通过 proc_addr 定位内核中进程地址,然后 将消息结构体中的 deadline 赋值给该进程的deadline(这里已经在 proc 头文件中添加了该成员变量)。

  1. /usr/src/minix/kernel/system/ 中Makefile.inc文件添加do_chrt.c条目。
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#include "kernel/system.h"
#include "kernel/vm.h"
#include <signal.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>

#include <minix/endpoint.h>
#include <minix/u64.h>
int do_chrt(struct proc *caller, message *m_ptr)
{
struct proc *rp;
long exp_time;
exp_time = m_ptr->m2_l1;
//通过 proc_addr 定位内核中进程地址
rp = proc_addr(m_ptr->m2_i1);
//将消息结构体中的deadline 赋值给该进程的deadline(结构体中的)
rp->deadline = exp_time;
return (OK);
}
  1. /usr/src/minix/include/minix/com.h中定义SYS_CHRT编号。
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  1. /usr/src/minix/kernel/system.c 中添加SYS_CHRT编号到do_chrt的映射。
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  1. /usr/src/minix/commands/service/parse.c的system_tab中添加名称编号对。
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  1. /usr/src/minix/kernel/config.h中添加 USE_CHRT
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#define USE_CHRT 	 1
/* It allows to set sizes of some
* kernel buffers and to enable or disable debugging code, timing features,
* and individual kernel calls.*/

进程调度

MINIX3使用一种多级调度算法。进程优先级数字越小,优先级越高, 根据优先级不同分成了16个可运行进程队列。每个队列内部采用时间片轮转调度,找到最高非空优先级队列,选取队列首部可运行的进程, 当用完了时间片,则移到当前队列的队尾(详见教材P124)。

将EDF添加到多级调度算法中,可控制入队实现实时调度。入队是将当前剩余时间(终止时间-运行 时间)大于0的进程添加到某个优先级队列,即设置进程优先级(需要选择合适的优先级,否则执行效果不理想)。

在该队列内部将时间片轮转调度改成==剩余时间最少优先调度==,即将剩余时间最小的进程移到队列首部。

进程调度模块位于/usr/src/minix/kernel/下的proc.h和proc.c,修改影响进程调度顺序的部分。

  1. structproc维护每个进程的信息,用于调度决策。添加deadline成员。( 其实按照minix3的代码风格,这里应该将ddl定义为p_deadline,实验更改的时候疏忽了,就直接定义为deadline了。)截屏2022-04-16 下午5.14.32
  2. enqueue_head()按优先级将进程加入列队首。实验中需要将实时进程的优先级设置成合适的优先级。enqueue()按优先级将进程加入列队尾,同上。

​ 经过尝试,将设置过deadline的进程优先级设置为5、6均可获得理想的执行结果。其中原因为:minix3中默认优先级为0-4的进程大多为系统进程,非用户进程。故设置优先级为5、6时已经可以得到理想的执行结果。

截屏2022-04-16 下午5.20.32 截屏2022-04-16 下午5.21.01

注:由于在这个地方踩坑,编译可成功,可执行文件却无法运行,我debug了两天才找到真正的错误。由于deadline大于0时要指定rp的优先级为5,而初始代码将p_priority定义为了const常量,将优先级设置放在其后会出现错误,一定要在其之前设置优先级。

  1. pick_proc()从队列中返回一个可调度的进程。遍历设置的优先级队列,返回剩余时间最小并可运行的进程。
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/*===========================================================================
* pick_proc *
*=========================================================================*/
static struct proc * pick_proc(void)
{
/* Decide who to run now. A new process is selected an returned.
* When a billable process is selected, record it in 'bill_ptr', so that the
* clock task can tell who to bill for system time.
*
* This function always uses the run queues of the local cpu!
*/
register struct proc *rp; /* process to run */
struct proc **rdy_head;
int q; /* iterate over queues */
register struct proc *next; // 中间变量,用来指代下一个进程
/* Check each of the scheduling queues for ready processes. The number of
* queues is defined in proc.h, and priorities are set in the task table.
* If there are no processes ready to run, return NULL.
*/
rdy_head = get_cpulocal_var(run_q_head);
for (q=0; q < NR_SCHED_QUEUES; q++) {
if(!(rp = rdy_head[q])) {
TRACE(VF_PICKPROC, printf("cpu %d queue %d empty\n", cpuid, q););
continue;
}
rp = rdy_head[q];
next = rp->p_nextready;/* pointer to next ready process */
if (q == 5)
{ /* 如果优先级等于5,说明可能是设置deadline的进程,找剩余时间最小的进程*/
while (next != NULL)
{//遍历进程
if (next->deadline > 0)
{
/* 交换这两个进程,得到剩余时间最短的进程。*/
if (rp->deadline == 0 || (rp->deadline > next->deadline))
{
if (proc_is_runnable(next)) //判断是否在运行
rp = next;
}
}
/* 比下一个 */
next = next->p_nextready;
}
}
assert(proc_is_runnable(rp));
if (priv(rp)->s_flags & BILLABLE)
get_cpulocal_var(bill_ptr) = rp; /* bill for system time */
return rp;
}
return NULL;
}

实验结果

测试用例如下

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <lib.h>
#include <time.h>

void proc(int id);
int main(void)
{
//创建三个子进程,并赋予子进程id
for (int i = 1; i < 4; i++)
{
if (fork() == 0)
{
proc(i);
}
}
return 0;
}
void proc(int id)
{
int loop;
switch (id)
{
case 1: //子进程1,设置deadline=25
chrt(25);
printf("proc1 set success\n");
sleep(1);
break;
case 2: //子进程2,设置deadline=15
chrt(15);
printf("proc2 set success\n");
sleep(1);
break;
case 3: //子进程3,普通进程
chrt(0);
printf("proc3 set success\n");
break;
}
for (loop = 1; loop < 40; loop++)
{
//子进程1在5s后设置deadline=5
if (id == 1 && loop == 5)
{
chrt(5);
printf("Change proc1 deadline to 5s\n");
}
//子进程3在10s后设置deadline=3
if (id == 3 && loop == 10)
{
chrt(3);
printf("Change proc3 deadline to 3s\n");
}
sleep(1); //睡眠,否则会打印很多信息
printf("prc%d heart beat %d\n", id, loop);
}
exit(0);
}

运行结果:P1P2为实时进程,deadline分别设为25s和15s。第0秒,优先级P2>P1>P3;第5秒,P1剩5s,P2剩10s,优先级P1>P2>P3;第10s,P2剩5s,P3剩3s,优先级P1>P2>P3。

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总结

由于minix 的不同服务模块和内核运行在不同进程中,我在这个实验中熟悉了基于消息的进程间系统调用,在实践中对minix操作系统内部的调度算法理解得更为深入,也看到了操作系统各层之间、文件之间定义等关系。整个实验的实现过程还是需要很多耐心和理解的,稍微不慎就会使耗时很久的编译失败,我也用了很长时间在查找错误、修改错误。所以,在这个过程中更体会到了及时备份保存,利用好git diff工具检查代码修改等的重要性,学习到了很多。感谢助教们的解答和同学们的帮助。