### 操作系统实验五：管道与共享内存
#### 实验背景与目的
本次实验主要针对的是操作系统中的两个重要概念：进程间的管道通信机制以及虚拟内存中的页面置换算法。实验旨在帮助学生深入理解这两种机制的工作原理及其在实际编程中的应用。
#### 实验准备
为了进行此次实验，需要以下软件工具：
- **Ubuntu**：作为实验的操作系统平台，提供了一个稳定的Linux环境。
- **GCC**：用作C语言编译器，用于编译和链接实验所需的C语言代码。
#### 实验过程
##### 题目一：进程间的管道通信
1. **实验设计**：
- 创建三个进程。
- 进程一负责接收用户输入的信息，并将其写入管道。
- 进程二从管道中读取信息，并再次将其写入另一个管道。
- 进程三从第二个管道中读取信息，并最终打印出来。
2. **实现要点**：
- 使用`pipe()`函数创建管道。
- 通过`fork()`函数创建子进程。
- 子进程间通过管道进行通信。
- 在每个进程中，根据需要使用`read()`或`write()`系统调用来从管道中读取数据或向管道中写入数据。
3. **关键代码示例**：
```c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>
int main() {
int fd[2], pid1, pid2;
char buffer[100];
// 创建管道
if (pipe(fd) == -1) {
perror("Pipe failed");
return 1;
}
// 创建第一个子进程
pid1 = fork();
if (pid1 == -1) {
perror("Fork failed");
return 1;
}
if (pid1 == 0) { // 子进程一
close(fd[0]); // 关闭读端
printf("Enter message: ");
fgets(buffer, sizeof(buffer), stdin);
write(fd[1], buffer, strlen(buffer)); // 向管道写入数据
close(fd[1]);
exit(0);
}
// 创建第二个子进程
pid2 = fork();
if (pid2 == -1) {
perror("Fork failed");
return 1;
}
if (pid2 == 0) { // 子进程二
close(fd[1]); // 关闭写端
read(fd[0], buffer, sizeof(buffer)); // 从管道读取数据
close(fd[0]);
// 创建第二个管道
int fd2[2];
if (pipe(fd2) == -1) {
perror("Pipe failed");
return 1;
}
// 写入第二个管道
write(fd2[1], buffer, strlen(buffer));
close(fd2[1]);
// 读取第二个管道
read(fd2[0], buffer, sizeof(buffer));
printf("Message from process three: %s", buffer);
close(fd2[0]);
exit(0);
}
// 父进程关闭管道
close(fd[0]);
close(fd[1]);
wait(NULL);
wait(NULL);
return 0;
}
```
##### 题目二：页面置换算法
1. **实验设计**：
- 实现五种不同的页面置换算法：FIFO、LRU、OPT、LFU 和 CLOCK。
- 测试每种算法在不同页面宽度下的命中率。
- 观察并分析各算法的表现。
2. **实现要点**：
- 设计一个模拟内存访问的结构体。
- 编写各种页面置换算法的实现函数。
- 对于每种算法，运行模拟测试并记录命中率。
3. **关键代码示例**：
- **初始化函数**：用于初始化内存模拟环境。
- **FIFO算法**：采用先进先出策略。
- **LRU算法**：选择最久未使用的页面进行替换。
- **OPT算法**：基于未来最远未使用原则进行页面替换。
- **LFU算法**：选择最少使用的页面进行替换。
- **CLOCK算法**：基于循环访问策略进行页面替换。
4. **实验结果分析**：
- 当页面宽度达到32时，所有算法的命中率均为0.9。
- OPT算法在页宽为30时已经达到了最高的命中率，表明它是这几种算法中最优的。
#### 实验总结
通过本次实验，不仅加深了对进程间通信（特别是管道通信）的理解，还对虚拟内存中的页面置换算法有了更深刻的认识。尤其是对于各种置换算法的实际应用效果，通过实验结果的对比，能够直观感受到它们在不同场景下的性能差异，这对于今后学习操作系统中的高级主题非常有帮助。
