《操作系统》实验报告二

Shell及系统调用

一、实验内容

1. 巩固操作系统的进程调度机制和策略
1. 熟悉MINIX系统调用和MINIX调度器的实现

二、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度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。
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。
1. 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。
1. 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。
1. 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。

三、注意事项

MINIX的不同服务模块和内核都是运行在不同进程中，只能使用基于消息的进程间系统调用/内核调用，不能使用直接调用普通C函数。
添加调用编号，需要修改取值范围限制。
以源码为准（博客等资料版本落后）。
善用source insight高级功能（调用关系，全局搜索）。
善用git diff 检查代码修改。修改涉及文件较多，git diff可直观看到修改内容，避免引入无意的错误。
善用FileZilla功能。连接虚拟机，拉取需修改的文件，修改后上传到虚拟机。
消息结构体在include/minix/ipc.h中

四、实验准备

下载源码

cd /usr
git clone git://git.minix3.org/minix src
git branch –a # 查看代码版本
git checkout R3.3.0 # 将代码版本切换为 3.3.0

得到虚拟机上有如下文件

编译

cd /usr/src
make build #首次编译以及修改了头文件
make build MKUPDATE #增量式编译

首次编译用时较长
3. 内核串口调试

在vmware虚拟机关闭情况下，在设置中点击添加设备，再选择添加串口，简单情况下可以使用物理机文件output.txt作为串口输出目标。
启动虚拟机，运行 echo “hello world” > /dev/tty00，可以在output.txt中观察到hello world的输出结果。
在内核调试中，可以通过向/dev/tty00文件写入字符的形式进行调试

五、实验过程

增加系统调用chrt：
1. 应用层：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
- 在/usr/src/include/unistd.h 中添加chrt函数定义

// 加入到适当的位置
int chrt(long);  //定义chrt函数

在/usr/src/minix/lib/libc/sys/chrt.c中添加chrt函数实现。可用alarm函数实现超时强制终止
chrt的功能主要是要将参数deadline添加到message信息中，然后利用_syscall()函数通信息结构体进行IPC通信，传递deadline
具体代码实现参考同文件夹下的fork.c中实现fork函数的代码

#include <sys/cdefs.h>
#include "namespace.h"
#include <lib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#ifdef __weak_alias
__weak_alias(fork, _fork)
#endif
pid_t fork(void)
{message m;memset(&m, 0, sizeof(m));return(_syscall(PM_PROC_NR, PM_FORK, &m));
}

注意的一点是可以在usr/src/minix/include/minix/ipc.h文件中查找到message结构体中long型数据的存储形式如下

typedef struct {int64_t m2ll1;int m2i1, m2i2, m2i3;long m2l1, m2l2;char *m2p1;sigset_t sigset;short m2s1;uint8_t padding[6];
} mess_2;
_ASSERT_MSG_SIZE(mess_2);typeofdef struct{/*......*/union{/*......*/mess_2   m_m2/*......*/}/*......*/
} message __aligned(16);#define m2_l2  m_m2.m2l2

可以得到long型数据存储位置
因为message中应包含进程结束时的时间，所以还需要获取到现在系统的时间加上设置的deadline来得message中应该传输的时间
系统时间通过time.tv_sec得到
所以整合上述要点后可以写出chrt.c代码

/* chrt.c */
#include <sys/cdefs.h>
#include "namespace.h"
#include <lib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>int chrt(long deadline){struct timespec time;message m;memset(&m, 0, sizeof(m));alarm((unsigned int)deadline);if (deadline < 0){return 0;}if (deadline > 0){clock_gettime(CLOCK_REALTIME,&time);deadline = time.tv_sec + deadline; //向服务层发送的信息为实际应该结束的时间}m.m2_l1 = deadline;return (_syscall(PM_PROC_NR, PM_CHRT, &m));
}

在/usr/src/minix/lib/libc/sys中Makefile.inc文件添加chrt.c条目

2. 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

在/usr/src/minix/servers/pm/proto.h中添加chrt函数定义
这里虽然说是chrt函数的定义，但是这里定义的其实是服务层对chrt函数的处理,向内核层发送message，而不是应用层中用户使用的chrt函数。

/* chrt.c */
int do_chrt(void);

在/usr/src/minix/servers/pm/chrt.c中添加chrt函数实现，调用sys_chrt()

int do_chrt(){sys_chrt(who_p, m_in.m2_l1);/*sys_chrt()的参数来自同文件下的glo.h*/return (OK);
}

同样地在同文件夹下的Makefile文件中添加chrt条目

SRCS=   main.c forkexit.c exec.c time.c alarm.c \signal.c utility.c table.c trace.c getset.c misc.c \profile.c mcontext.c schedule.c chrt.c

在/usr/src/minix/include/minix/callnr.h中定义PM_CHRT编号

#define PM_CHRT         (PM_BASE + 48)#define NR_PM_CALLS       49  /* highest number from base plus one */

在/usr/src/minix/servers/pm/table.c 中调用映射表

CALL(PM_CHRT) = do_chrt

在/usr/src/minix/include/minix/syslib.h 中添加 sys_ chrt () 定义

/* sys_chrt() */
int sys_chrt(endpoint_t proc_ep, long deadline);

在/usr/src/minix/lib/libsys/sys_chrt.c 中添加 sys_chrt () 实现

#include "syslib.h"int sys_chrt(proc_ep,deadline)
endpoint_t proc_ep;     /* which proc_ep has exited */
long deadline;
{/* A proc_ep has to be signaled via PM.  Tell the kernel. */message m;m.m2_i1 = proc_ep;m.m2_l1 = deadline;return(_kernel_call(SYS_CHRT, &m));
}

在/usr/src/minix/lib/libsys 中的 Makefile 中添加 sys_chrt.c 条目
3. 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
在/usr/src/minix/kernel/system.h中添加do_chrt函数定义
在/usr/src/minix/kernel/config.h中将USE_CHRT设为1

#define USE_CHRT

在/usr/src/minix/kernel/system/do_chrt.c中添加do_chrt函数实现

#include "kernel/system.h"
#include <minix/endpoint.h>
#include "kernel/vm.h"
#include <signal.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <minix/u64.h>/*===========================================================================**                                do_chrt                                   **===========================================================================*/#if USE_CHRT
int do_chrt(struct proc *caller, message *m_ptr){struct proc *rp;rp = proc_addr(m_ptr->m2_i1);rp->p_deadline = m_ptr->m2_l1;return (OK);
}
#endif /* USE_CHRT */

在/usr/src/minix/kernel/system/ 中Makefile.inc文件添加do_chrt.c条目
在/usr/src/minix/include/minix/com.h中定义SYS_CHRT编号

#  define SYS_CHRT (KERNEL_CALL + 58)/* Total */
#define NR_SYS_CALLS    59  /* number of kernel calls */

在/usr/src/minix/kernel/system.c 中添加SYS_CHRT编号到do_chrt的映射

map(SYS_CHRT, do_chrt);

在/usr/src/minix/commands/service/parse.c的system_tab中添加名称编号

{ "CHRT",       SYS_CHRT },

4. 进程调度：修改影响进程调度顺序的部分

在/usr/src/minix/kernel/proc.h struct proc 维护每个进程的信息，用于调度决策。添加deadline成员

struct proc {long p_deadline; /*进程deadline项*/......
}

在/usr/src/minix/kernel/proc.c修改enqueue_head()，enqueue()，pick_proc()
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

if (rp->p_deadline>=0){rp->p_priority = 5;}

enqueue() 按优先级将进程加入列队尾
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

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,*tmp;          /* process to run */struct proc **rdy_head;int q;               /* iterate over queues *//* 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;}assert(proc_is_runnable(rp));if(q==5){rp = rdy_head[q];tmp = rp->p_nextready;while (tmp!=NULL){if(tmp->p_deadline > 0){if(tmp->p_deadline < rp->p_deadline){if (proc_is_runnable(tmp)){rp = tmp;}}}tmp = tmp->p_nextready;}if (priv(rp)->s_flags & BILLABLE)      get_cpulocal_var(bill_ptr) = rp; /* bill for system time */return rp;}}return NULL;
}

五、测试运行

将下面代码上传到重新编译后的虚拟机中，编译运行

/* test-2.c */
#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idfor (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=25chrt(25);printf("proc1 set success\n");sleep(1);break;case 2: //子进程2，设置deadline=15chrt(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=5if (id == 1 && loop == 5){chrt(5);printf("Change proc1 deadline to 5s\n");}//子进程3在10s后设置deadline=3if (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);
}

得到结果如图所示

六、参考资料

如何添加Minix内核调用
https://wiki.minix3.org/doku.php?id=developersguide:newkernelcall
Minix内核调用APIs
http://wiki.minix3.org/doku.php?id=developersguide:kernelapi
Minix讨论区
https://groups.google.com/forum/#!forum/minix3

七、备注

因为Minix源码在虚拟机上下载太满了，所以我在网上找到了一个gitee上的源码，如有需要可以去我的仓库中获取或者去源仓库获取。
我的仓库：https://gitee.com/zhongershun/minix
源仓库：https://gitee.com/jiangsheng1987/minix
另外，本次实验报告本人也已将将完整的修改后代码以及实验报告上传至GitHub仓库
GitHub：https://github.com/zhongershun/os-Earliest-Deadline-First

如有问题，欢迎指正。

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Shell及系统调用

一、实验内容

二、实验要求

三、注意事项

四、实验准备

五、实验过程

五、测试运行

六、参考资料

七、备注

如有问题，欢迎指正。

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