【操作系统系统实验指导书】一、前言
操作系统是计算机系统的核心软件，负责管理硬件资源、提供用户接口以及支持应用程序的运行。为了帮助学习者更好地掌握操作系统的原理与实现机制，本实验指导书旨在通过一系列实践操作，加深对操作系统功能的理解，提升动手能力与系统思维。
本实验内容涵盖进程管理、内存管理、文件系统、设备管理等多个核心模块，适用于高校计算机相关专业的学生进行课程实验或自主学习。通过完成各项实验任务，学生将逐步建立起对操作系统整体架构的认识，并掌握基本的调试与分析方法。
二、实验目标
1. 理解操作系统的基本概念和运行机制。
2. 掌握操作系统中进程、线程、调度等关键机制的实现方式。
3. 学习如何在实际环境中配置和运行操作系统内核模块。
4. 培养使用调试工具（如GDB、strace等）分析系统行为的能力。
5. 提高对操作系统安全机制、资源分配策略等的理解。
三、实验环境准备
1. 硬件要求：
- 支持多任务处理的PC机
- 至少4GB内存
- 50GB以上硬盘空间
2. 软件环境：
- 操作系统：Linux（推荐Ubuntu 20.04或更高版本）
- 编译器：GCC
- 调试工具：GDB、Valgrind、strace
- 开发工具：vim、gedit、Code::Blocks等文本编辑器
3. 实验平台：
建议使用虚拟机（如VirtualBox或VMware）安装Linux系统进行实验，便于快速恢复和重复测试。
四、实验内容与步骤
实验一：进程管理基础
实验目的：
理解进程的概念、状态转换及进程控制。
实验
- 使用`fork()`创建子进程
- 利用`exec()`执行新程序
- 通过`wait()`等待子进程结束
- 分析进程状态（运行、就绪、阻塞）
实验步骤：
1. 编写简单的C程序，调用`fork()`创建子进程。
2. 在父进程中使用`wait()`等待子进程结束。
3. 在子进程中使用`execlp()`执行外部命令（如`ls`）。
4. 使用`ps`和`top`查看进程状态变化。
5. 记录实验结果并分析进程生命周期。
实验二：进程调度模拟
实验目的：
了解不同进程调度算法的工作原理。
实验
- 实现一个简单的轮转调度算法（RR）
- 模拟多个进程的执行过程
- 统计各进程的响应时间、等待时间等指标
实验步骤：
1. 设计进程结构体，包含进程ID、优先级、剩余时间等字段。
2. 使用队列实现进程调度逻辑。
3. 模拟不同时间片长度下的调度效果。
4. 输出调度日志并分析性能差异。
实验三：内存管理实验
实验目的：
理解虚拟内存、页表、页面置换算法等概念。
实验
- 使用`malloc()`和`free()`进行动态内存分配
- 分析内存泄漏问题
- 模拟页面置换算法（如FIFO、LRU）
实验步骤：
1. 编写一段代码，频繁申请和释放内存。
2. 使用Valgrind检测内存泄漏。
3. 使用`pmap`查看进程的内存映射。
4. 实现简单的页面置换算法，观察其对系统性能的影响。
实验四：文件系统操作
实验目的：
掌握文件系统的读写、权限管理及目录结构操作。
实验
- 使用系统调用（如`open()`, `read()`, `write()`）操作文件
- 创建和删除目录
- 设置文件权限（chmod）
实验步骤：
1. 编写程序读取和写入文件。
2. 使用`stat()`获取文件属性。
3. 修改文件权限，测试不同用户访问权限。
4. 使用`ls -l`查看文件详细信息。
五、实验报告撰写要求
1. 实验名称：明确写出实验题目。
2. 实验目的：简要说明本次实验的目标。
3. 实验环境：列出使用的操作系统、编译器、工具等。
4. 实验步骤：详细描述实验过程，包括代码片段、命令行操作等。
5. 实验结果：展示实验输出、图表或截图。
6. 问题分析：分析实验中出现的问题及解决方法。
7. 心得体会：总结本次实验的收获与不足。
六、注意事项
- 实验过程中注意数据备份，避免误删重要文件。
- 遇到错误时，应仔细检查代码逻辑与系统调用参数。
- 不要随意修改系统配置文件，以免影响其他实验。
- 鼓励同学之间相互交流，但严禁抄袭他人代码。
七、附录
- 常用命令列表
- 调试技巧汇总
- 参考资料与推荐阅读
通过本实验指导书的学习与实践，希望同学们能够深入理解操作系统的核心思想，为今后从事系统开发、嵌入式开发、网络安全等相关领域打下坚实的基础。
