哈工大操作系统实验--实验四：进程运行轨迹的跟踪与统计，实验记录及实验报告

实验四：进程运行轨迹的跟踪与统计

记录一些学习哈工大操作系统实验的学习笔记和心得

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实验内容

• 基于模板 process.c 编写多进程的样本程序，实现如下功能：
  • 所有子进程都并行运行，每个子进程的实际运行时间一般不超过 30 秒；
  • 父进程向标准输出打印所有子进程的 id，并在所有子进程都退出后才退出；
• 在 Linux0.11 上实现进程运行轨迹的跟踪
  • 基本任务是在内核中维护一个日志文件 /var/process.log，把从操作系统启动到系统关机过程中所有进程的运行轨迹都记录在这一 log 文件中
• 在修改过的 0.11 上运行样本程序，通过分析 log 文件，统计该程序建立的所有进程的等待时间、完成时间（周转时间）和运行时间，然后计算平均等待时间，平均完成时间和吞吐量
• 修改 0.11 进程调度的时间片，然后再运行同样的样本程序，统计同样的时间数据，和原有的情况对比，体会不同时间片带来的差异

4.1 编写样本程序

从实验材料中我们可以发现，process.c模板程序已经提供了cupio_bound函数来模拟各个子程序的运行时间，包括CPU时间、IO时间等

因此，需要实现的就是在process.c中的main函数使用fork和wait系统调用来创建多个子程序，然后每个子程序执行各自的cpuio_bound函数来模拟实际情况，父进程等待所有子进程之后再向stdout来输出所有的子进程id.

这里给出两版代码，一版是广义情况下调用库函数的代码，另外一版是调用系统调用的一版

process.c :

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#define HZ 100

void cpuio_bound(int last, int cpu_time, int io_time);

/*
    + 所有子进程都并行运行，每个子进程的实际运行时间一般不超过 30 秒；
    + 父进程向标准输出打印所有子进程的 id，并在所有子进程都退出后才退出；
    fork();
    wait();
*/
int main(int argc, char *argv[])
{
    /*

    */
    int pid_list[5];                // pid list
    int pid_index = 0;              // pid index/number
    int fork_numer = atoi(argv[1]); // 参数1， 参数0为./process
    srand(time(NULL));              // init time to get random.
    if (argc < 2)
    {
        printf("argment count is to less!!!\n");
        return 0;
    }

    for (int i = 0; i < fork_numer; i++)
    {
        int pid = fork();
        if (pid == -1)
            printf("create fork errr!\n");
        if (!pid)
        {
            // int total_time = rand() % 10 + 1;
            int total_time = getpid() % 29 + 1; // time <= 30
            printf("I'am %d children fork. total time is %d\n", getpid(), total_time);
            cpuio_bound(total_time, i, total_time - i); // total_time cpu_time io_time
            exit(EXIT_SUCCESS);
        }
        else
        {
            pid_list[pid_index++] = pid;
        }
    }

    /*
        wait all children fork exit;
        wait() 只会等待任意一个子进程退出，因此需要for循环来等待子进程结束
    */
    for (int i = 0; i < fork_numer; i++)
    {
        int pid = wait(NULL);
        printf("I'm father process and I'm end wait, children_pid = %d\n", pid);
    }
    // output all children fork pid;
    for (int i = 0; i < pid_index; i++)
        printf("process %d pid is %d.\n", i, pid_list[i]);
    return 0;
}

/*
 * 此函数按照参数占用CPU和I/O时间
 * last: 函数实际占用CPU和I/O的总时间，不含在就绪队列中的时间，>=0是必须的
 * cpu_time: 一次连续占用CPU的时间，>=0是必须的
 * io_time: 一次I/O消耗的时间，>=0是必须的
 * 如果last > cpu_time + io_time，则往复多次占用CPU和I/O
 * 所有时间的单位为秒
 */
void cpuio_bound(int last, int cpu_time, int io_time)
{
    struct tms start_time, current_time;
    clock_t utime, stime;
    int sleep_time;

    while (last > 0)
    {
        /* CPU Burst */
        times(&start_time);
        /* 其实只有t.tms_utime才是真正的CPU时间。但我们是在模拟一个
         * 只在用户状态运行的CPU大户，就像“for(;;);”。所以把t.tms_stime
         * 加上很合理。*/
        do
        {
            times(&current_time);
            utime = current_time.tms_utime - start_time.tms_utime;
            stime = current_time.tms_stime - start_time.tms_stime;
        } while (((utime + stime) / HZ) < cpu_time);
        last -= cpu_time;

        if (last <= 0)
            break;

        /* IO Burst */
        /* 用sleep(1)模拟1秒钟的I/O操作 */
        sleep_time = 0;
        while (sleep_time < io_time)
        {
            sleep(1);
            sleep_time++;
        }
        last -= sleep_time;
    }
}

process2.c

#include 
#include   
int main(int argc, char * argv[])
{
    int id = fork();
    if(!id) {
        printf("id == %d\n", id);
        printf("I am child process, my id is [%d] and my parent process is [%d].\n", getpid(), getppid());
    }
	return 0;
}

log 文件

观察init/main.c代码可以发现，main函数在执行完所有的初始化后使用fork()来创建进程1，并在进程1中执行init函数，而原本的父进程0则是不断执行pause()系统调用

在init函数中，进程首先会初始化文件描述符，并分别将0,1,2绑定至stdin stdout stderror，因此我们可以在这里将文件描述符3绑定至我们的log文件

void init(void)
{
	int pid, i;
setup((void *)&drive_info);
	(void)open("/dev/tty0", O_RDWR, 0);									// stdin  0
	(void)dup(0);														// stdout  1
	(void)dup(0);														// stderror  2
	(void)open("/var/process.log", O_CREAT | O_TRUNC | O_WRONLY, 0666); // log  3
  // ....
}

接下来为了让log文件开启的时间提前，记录所有进程的状态，我们将上述代码移动至内核开启代码后，即move_to_user之后

  move_to_user_mode();
	// 加载文件系统
	setup((void *)&drive_info);
	(void)open("/dev/tty0", O_RDWR, 0);									// stdin  0
	(void)dup(0);														// stdout  1
	(void)dup(0);														// stderror  2
	(void)open("/var/process.log", O_CREAT | O_TRUNC | O_WRONLY, 0666); // log  3
	if (!fork())
	{ /* we count on this going ok */
		init();
	}

至此，log文件就已经开启成功

写log文件

实验楼环境为我们提供了写log文件的函数，直接将它复制到kernel/printk.c中即可，以后我们使用fprink()函数并加上对应的文件描述符即可实现对log文件日志的写入

#include 
#include 

#include 

#include "linux/sched.h"
#include "sys/stat.h"

static char buf[1024];
static char logbuf[1024];

extern int
vsprintf(char *buf, const char *fmt, va_list args);

int printk(const char *fmt, ...)
{
	va_list args;
	int i;

	va_start(args, fmt);
	i = vsprintf(buf, fmt, args);
	va_end(args);
	__asm__("push %%fs\n\t"
			"push %%ds\n\t"
			"pop %%fs\n\t"
			"pushl %0\n\t"
			"pushl $buf\n\t"
			"pushl $0\n\t"
			"call tty_write\n\t"
			"addl $8,%%esp\n\t"
			"popl %0\n\t"
			"pop %%fs" ::"r"(i) : "ax", "cx", "dx");
	return i;
}

// write（）实现
// 写入Log
int fprintk(int fd, const char *fmt, ...)
{
	va_list args;
	int count;
	struct file *file;
	struct m_inode *inode;

	va_start(args, fmt);
	count = vsprintf(logbuf, fmt, args);
	va_end(args);
	/* 如果输出到stdout或stderr，直接调用sys_write即可 */
	if (fd < 3)
	{
		__asm__("push %%fs\n\t"
				"push %%ds\n\t"
				"pop %%fs\n\t"
				"pushl %0\n\t"
				/* 注意对于Windows环境来说，是_logbuf,下同 */
				"pushl $logbuf\n\t"
				"pushl %1\n\t"
				/* 注意对于Windows环境来说，是_sys_write,下同 */
				"call sys_write\n\t"
				"addl $8,%%esp\n\t"
				"popl %0\n\t"
				"pop %%fs" ::"r"(count),
				"r"(fd) : "ax", "cx", "dx");
	}
	else
	/* 假定>=3的描述符都与文件关联。事实上，还存在很多其它情况，这里并没有考虑。*/
	{
		/* 从进程0的文件描述符表中得到文件句柄 */
		if (!(file = task[0]->filp[fd]))
			return 0;
		inode = file->f_inode;

		__asm__("push %%fs\n\t"
				"push %%ds\n\t"
				"pop %%fs\n\t"
				"pushl %0\n\t"
				"pushl $logbuf\n\t"
				"pushl %1\n\t"
				"pushl %2\n\t"
				"call file_write\n\t"
				"addl $12,%%esp\n\t"
				"popl %0\n\t"
				"pop %%fs" ::"r"(count),
				"r"(file), "r"(inode) : "ax", "cx", "dx");
	}
	return count;
}
/*
// 向stdout打印正在运行的进程的ID
fprintk(1, "The ID of running process is %ld", current->pid);
// 向log文件输出跟踪进程运行轨迹
fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", current->pid, 'R', jiffies);
*/

jiffies

jiffies是系统滴答数，它代表了系统从开机到现在为止经过的滴答数，在sched_init()中我们也可以发现时钟处理函数被初始化为time_interuupt，其中每次执行该函数都会让jiffies的值加一

下面这部分代码用于设置每次时钟中断的间隔LATCH

// 设置8253模式
outb_p(0x36, 0x43);
outb_p(LATCH&0xff, 0x40);
outb_p(LATCH>>8, 0x40);

linux0.11环境下的jiffies为10ms

寻找状态切换点

为了在合适的地方记录状态的变化，并将其写入日志之中，我们需要考虑一下几种情况

• 新建 --> 就绪
• 就绪 --> 运行
• 运行 --> 就绪
• 运行 --> 睡眠（可中断，不可中断）
• 睡眠 --> 就绪

了解到可能存在的状态变化之后，我们只需要在相对应的代码位置进行记录即可，主要修改的函数包括：

• 就绪到运行：schedule()
• 运行到睡眠：sleep_on()和interruptible_sleep_on()
• 进程主动睡眠：sys_pause()和sys_waitpid()
• 睡眠到就绪：wake_up()

这里给出一部分参考代码，具体的可以查看dev3分支

/*
  schedule()部分
*/
	while (1)
	{
		c = -1;
		next = 0;
		i = NR_TASKS;
		p = &task[NR_TASKS];
		while (--i)
		{
			if (!*--p)
				continue;
			if ((*p)->state == TASK_RUNNING && (*p)->counter > c)
				c = (*p)->counter, next = i;
		}
		if (c) // 找到counter最大的进程并且是就绪态
			break;
		for (p = &LAST_TASK; p > &FIRST_TASK; --p)
			if (*p)
				(*p)->counter = ((*p)->counter >> 1) +
								(*p)->priority;
	}
	// switch_to 切换进程，但是由于这里是通过汇编进行切换，因此需要提前记录
	if (task[next]->pid != current->pid)
	{
		if (current->state == TASK_RUNNING)
			fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", current->pid, 'J', jiffies);
		fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", task[next]->pid, 'R', jiffies);
	}
	switch_to(next);

在上面我们需要关注的点是，每次记录之前需要使用if()进行判断，是否状态真的发生了改变，避免重复的记录

其中进程0即父进程在系统无事可做的时候，会不断调用pause()系统调用，以激活调度算法，此时它可以是等待态，也可以是运行态，因为它是唯一一个在CPU上运行的程序

管理log文件

• 每次退出bochs之前记得使用sync刷新缓存
• 可以使用mount来挂载文件，将process.log文件拷贝到主机环境，方便处理阅读

数据统计

这里给出进行测试的步骤

• 将实验楼提供的测试代码拷贝至主机环境
• 使用挂载命令，将前面的process.c程序上传到linux0.11 root/中
• 在linux0.11中编译运行process.c程序
• 使用挂载命令，将linux0.11中的process.log拷贝至主机环境
• 使用stat_log.py对process.log进行测试

chmod +x ./stat_log.py
./stat_log.py process.log 1 2 3 4  # 只统计pid为1 2 3 4的进程
./stat_log.py process.log # 统计所有进程

修改时间片

根据实验指导，我们就可以发现，nice系统调用不会执行，只有scdule.h中的INIT_TASK宏会修改state counter priority，因此我们直接在这里修改即可完成对时间片的修改

/*scdele.h*/
#define INIT_TASK \
    { 0,15,15,
// 上述三个值分别对应 state、counter 和 priority;

当就绪进程counter为0的时候，会被更新成初始priority的值

实验报告

• 结合自己的体会，谈谈从程序设计者的角度看，单进程编程和多进程编程最大的区别是什么？

  • 单进程编程无需考虑系统资源的调用部分，独占CPU即可
  • 多进程编程需要考虑各个进程之间的资源调度、运行优先级、运行时间分配等问题

• 你是如何修改时间片的？仅针对样本程序建立的进程，在修改时间片前后，log 文件的统计结果（不包括 Graphic）都是什么样？结合你的修改分析一下为什么会这样变化，或者为什么没变化？

  • 修改时间片前文已经给出了
  • 作者偷了个懒，没有比较，等待以后补充…
  • 据作者猜测应该没什么变化，因为运行优先级等都是确定过的，只影响了运行时间