linux操作系统课程设计

课程设计目标

1. 理论与实践结合： 深入理解Linux内核的核心机制和工作原理。
2. 提升编程能力： 熟练使用C语言进行系统级编程，掌握GCC、GDB等工具。
3. 熟悉开发环境： 掌握Linux下的命令行操作、Shell脚本编程、Makefile编写。
4. 培养系统思维： 学会分析、设计和实现一个完整的、小型的系统模块。
5. 锻炼文档撰写能力： 能够清晰、规范地撰写课程设计报告。

选题方向与具体题目

选题分为三个层次：基础入门级、核心进阶级、创新挑战级。

基础入门级 (适合初学者，侧重于工具和API使用)

主要考察对Linux基本命令、Shell编程和系统API的掌握。 1：Linux系统信息监控脚本**

• 核心任务： 编写一个Bash脚本,定时收集并显示系统的关键信息。
• 功能要求：
  • 显示CPU使用率（用户、系统、空闲）。
  • 显示内存使用情况（总内存、已用、空闲、缓存）。
  • 显示磁盘空间使用情况（各分区的使用率）。
  • 显示网络流量（接收和发送的字节数）。
  • 以表格化、人性化的方式每5秒刷新一次显示。
• 涉及技术： cat, grep, awk, sed, top, free, df, ifconfig/ip 命令，Bash循环、变量、函数。 2：简易任务管理器**
• 核心任务： 用C语言实现一个简化版的top或htop命令。
• 功能要求：
  • 列出当前系统中所有正在运行的进程。
  • 显示每个进程的PID、PPID、CPU占用率、内存占用、运行状态和命令名。
  • 按CPU或内存占用率进行排序。
  • 能够按q键退出。
• 涉及技术： C语言，/proc文件系统，read()/open()系统调用，sscanf或strtok进行字符串解析，ncurses库（可选，用于美化界面）。

核心进阶级 (适合有一定C语言基础，深入内核机制)

是课程设计的经典选择，能让你深入理解Linux的某个核心子系统。 3：简单的内核模块编程 (Hello World & Proc文件系统)**

• 核心任务： 编写一个Linux内核模块,并与用户空间程序进行交互。
• 功能要求：
  • 模块部分：
    • 编写一个init函数和exit函数,实现模块的加载和卸载。
    • 在dmesg中打印“Hello, World!”。
    • 创建一个/proc文件（例如/proc/myinfo），当用户读取该文件时，返回一段自定义信息（如“Module is loaded”）。
    • 提供一个/proc文件接口，允许用户通过echo向其中写入数据，模块接收到数据后打印到dmesg。
  • 用户空间程序：
    • 编写一个C程序，读取/proc/myinfo。
    • 编写另一个C程序，通过向/proc/myinfo写入字符串来与模块通信。
• 涉及技术： 内核模块编程，Makefile，printk，/proc文件系统操作，copy_from_user/copy_to_user。 4：基于共享内存的进程间通信**
• 核心任务： 实现一个生产者-消费者模型,使用共享内存作为通信媒介。
• 功能要求：
  • 创建一个“生产者”进程和一个“消费者”进程。
  • 生产者进程每隔一段时间生成一个随机数,并将其写入共享内存。
  • 消费者进程从共享内存中读取数据,并打印出来。
  • 必须使用信号量来保证对共享内存的互斥访问,避免数据竞争。
  • 必须使用同步机制（如信号量或条件变量）来确保消费者不会在内存为空时进行读取。
• 涉及技术： C语言，fork()，shmget(), shmat(), shmdt() (共享内存), semget(), semop() (信号量)，进程同步与互斥。 5：简单的文件系统分析工具**
• 核心任务： 分析ext4文件系统的元数据,提取文件信息。
• 功能要求：
  • 使用C语言打开一个ext4格式的磁盘镜像文件或一个分区。
  • 定位并解析超级块，打印文件系统基本信息（如总块数、块大小、inode数量等）。
  • 遍历块组描述符,统计每个块组中空闲块和空闲inode的数量。
  • (进阶) 实现一个功能，根据inode号,读取并打印该inode对应文件的数据块列表。
• 涉及技术： C语言文件I/O，二进制文件解析，对ext4文件系统规范的理解（需查阅相关文档）。

创新挑战级 (适合学有余力，追求更高挑战)

没有标准答案，需要更强的自主研究和设计能力。 6：一个简单的字符设备驱动**

• 核心任务： 实现一个虚拟的字符设备驱动,并为其编写用户空间测试程序。
• 功能要求：
  • 动态分配一个设备号。
  • 实现驱动的file_operations结构体，包括open, read, write, release等函数。
  • 实现1 (循环缓冲区)： 在内核中创建一个固定大小的循环缓冲区。write操作向缓冲区写入数据，read操作从缓冲区读取数据。
  • 实现2 (按键模拟)： 创建一个设备，当用户通过write向其写入一个字符时，内核模拟一个按键事件,将这个字符注入到输入系统中。
• 涉及技术： 字符设备驱动编程，cdev结构体，class_create/device_create，kmalloc/kfree，copy_from_user/copy_to_user，input子系统 (用于实现2)。 7：轻量级进程调度模拟器**
• 核心任务： 在用户空间模拟Linux的进程调度算法。
• 功能要求：
  • 设计一个进程控制块结构体，包含进程ID、到达时间、执行时间、优先级等。
  • 实现至少两种调度算法，如：先来先服务、短作业优先、时间片轮转。
  • 从一个文件或命令行读取进程创建信息。
  • 模拟调度器的执行过程，打印每个进程的执行顺序、周转时间、等待时间等。
  • 计算并比较不同调度算法的平均周转时间和平均等待时间。
• 涉及技术： C语言，数据结构（队列、链表），算法设计与分析，文件I/O。

课程设计实施步骤

1. 选题与方案设计 (第1-2周)

   • 与指导老师沟通,确定最终题目。
   • 查阅相关资料（书籍、博客、官方文档）,理解题目涉及的技术背景。
   • 撰写需求分析和总体设计方案,画出系统架构图或模块流程图。

2. 环境搭建与工具学习 (第1-2周)

   
   • 安装Linux虚拟机（推荐Ubuntu或CentOS）或使用WSL2。
   • 安装必要的开发工具：build-essential, linux-headers-$(uname -r), git等。
   • 学习使用gcc, gdb, make, vim/vscode。

3. 编码实现 (第3-6周)

   • 采用模块化、分阶段的编码方式。
   • 先实现最核心、最简单的功能,然后逐步添加和完善其他功能。
   • 版本控制： 使用git管理你的代码,养成良好习惯。

4. 测试与调试 (第4-7周)

   • 编写测试用例,对每个功能点进行充分测试。
   • 使用gdb进行单步调试,打印关键变量，

标签： 进程管理 Shell脚本