揭秘操作系统课程设计：五大实战题目助你驾驭系统内核

一、课程设计概述

操作系统课程设计是计算机专业学生深入理解操作系统原理、提高实践能力的重要环节。通过课程设计，学生能够将理论知识应用于实际操作，从而更好地掌握操作系统内核的运作机制。本文将详细介绍五大实战题目，帮助读者深入了解操作系统课程设计。

二、实战题目一：Linux编程环境熟悉与多窗口并发进程展示

1. 题目内容

熟悉Linux编程环境，通过编写一个C程序，利用图形库创建并发进程，展示多窗口的运行情况。

2. 实施步骤

学习Linux编程环境，掌握基本命令和操作。
学习C语言编程，熟悉进程创建、同步和通信机制。
利用图形库（如GTK或Qt）实现多窗口界面。
编写程序，创建并发进程，展示多窗口运行情况。

3. 案例分析

以GTK库为例，展示多窗口并发进程的创建和展示。

#include <gtk/gtk.h>
#include <pthread.h>

pthread_t thread_id;
GtkWidget *window1, *window2;

void *window_thread(void *arg) {
    GtkWidget *window = GTK_WIDGET(arg);
    gtk_init(NULL, NULL);
    gtk_window_set_title(GTK_WINDOW(window), "Window 1");
    gtk_window_set_default_size(GTK_WINDOW(window), 200, 200);
    gtk_widget_show(window);
    pthread_exit(NULL);
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    gtk_init(NULL, NULL);
    window1 = gtk_window_new(GTK_WINDOW_TOPLEVEL);
    window2 = gtk_window_new(GTK_WINDOW_TOPLEVEL);

    pthread_create(&thread_id, NULL, window_thread, (void *)window1);
    pthread_create(&thread_id, NULL, window_thread, (void *)window2);

    gtk_main();
    return 0;
}

三、实战题目二：系统调用添加与测试

1. 题目内容

添加系统调用，例如实现文件拷贝功能，同时编写测试程序验证其功能。

2. 实施步骤

学习系统调用机制，了解系统调用的工作原理。
修改内核源代码，添加新的系统调用。
编写测试程序，验证系统调用的功能。

3. 案例分析

以下代码展示了在Linux内核中添加文件拷贝系统调用的示例：

#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>

asmlinkage long sys_file_copy(const char __user *src, const char __user *dst) {
    struct file *file1, *file2;
    loff_t size;
    int ret;

    file1 = filp_open(src, O_RDONLY, 0);
    if (IS_ERR(file1))
        return PTR_ERR(file1);

    file2 = filp_open(dst, O_WRONLY | O_CREAT, 0644);
    if (IS_ERR(file2)) {
        filp_close(file1, NULL);
        return PTR_ERR(file2);
    }

    size = file_size(file1);
    ret = copy_file_range(file1, NULL, file2, NULL, size, 0);
    filp_close(file1, NULL);
    filp_close(file2, NULL);

    return ret;
}

四、实战题目三：设备驱动程序开发与测试

1. 题目内容

编写字符设备驱动程序，然后用应用程序测试驱动程序的正确性。

2. 实施步骤

学习设备驱动程序开发，了解设备驱动程序的工作流程。
编写字符设备驱动程序，实现打开、关闭、读取和写入等操作。
编写应用程序，测试驱动程序的正确性。

3. 案例分析

以下代码展示了在Linux内核中编写字符设备驱动程序的示例：

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>

static int major;
static struct class *cls;
static struct class_device *dev;

static int __init char_dev_init(void) {
    major = register_chrdev(0, "char_dev", &fops);
    if (major < 0) {
        return major;
    }
    cls = class_create(THIS_MODULE, "char_dev");
    if (IS_ERR(cls)) {
        unregister_chrdev(major, "char_dev");
        return PTR_ERR(cls);
    }
    dev = class_device_create(cls, NULL, NULL, &fops, "char_dev");
    if (IS_ERR(dev)) {
        class_destroy(cls);
        unregister_chrdev(major, "char_dev");
        return PTR_ERR(dev);
    }
    return 0;
}

static void __exit char_dev_exit(void) {
    class_device_destroy(dev);
    class_destroy(cls);
    unregister_chrdev(major, "char_dev");
}

static struct file_operations fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = char_dev_open,
    .release = char_dev_release,
    .read = char_dev_read,
    .write = char_dev_write,
};

module_init(char_dev_init);
module_exit(char_dev_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

五、实战题目四：/proc文件系统分析与监控

1. 题目内容

学习和利用/proc文件系统，监控系统状态并以图形界面显示。

2. 实施步骤

学习/proc文件系统的特性，了解内核与用户空间交互机制。
使用/proc文件系统获取系统状态，如CPU使用率、内存占用等。
利用图形界面（如GTK或Qt）展示系统监控状态。

3. 案例分析

以下代码展示了使用GTK库展示CPU使用率的示例：

#include <gtk/gtk.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void update_cpu_usage(GtkWidget *widget, gpointer data) {
    FILE *fp;
    char buffer[256];
    int cpu_usage;

    fp = fopen("/proc/stat", "r");
    if (fp == NULL) {
        return;
    }
    fgets(buffer, sizeof(buffer), fp);
    fclose(fp);

    sscanf(buffer, "%*s %d", &cpu_usage);

    gtk_label_set_text(GTK_LABEL(data), "CPU Usage: %d%%", cpu_usage);
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    GtkWidget *window, *label;
    GtkWidget *box;
    gdouble update_interval = 1.0;

    gtk_init(&argc, &argv);

    window = gtk_window_new(GTK_WINDOW_TOPLEVEL);
    gtk_window_set_title(GTK_WINDOW(window), "CPU Usage Monitor");
    gtk_window_set_default_size(GTK_WINDOW(window), 300, 100);
    gtk_container_set_border_width(GTK_CONTAINER(window), 10);

    box = gtk_box_new(GTK_ORIENTATION_VERTICAL, 5);
    gtk_container_add(GTK_CONTAINER(window), box);

    label = gtk_label_new("CPU Usage: 0%%");
    gtk_box_pack_start(GTK_BOX(box), label, TRUE, TRUE, 0);

    g_timeout_add_seconds(update_interval, update_cpu_usage, label);

    gtk_widget_show_all(window);
    gtk_main();

    return 0;
}

六、实战题目五：模拟文件系统设计（选做）

1. 题目内容

设计并实现一个简单的文件系统模型，包括文件的创建、读写、删除等基本操作。

2. 实施步骤

学习文件系统设计，了解文件系统的工作原理。
设计并实现一个简单的文件系统模型，包括文件的创建、读写、删除等基本操作。

3. 案例分析

以下代码展示了在Linux内核中实现简单文件系统的示例：

#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/slab.h>

static int major;
static struct class *cls;
static struct class_device *dev;

static int __init fs_init(void) {
    major = register_chrdev(0, "fs_dev", &fops);
    if (major < 0) {
        return major;
    }
    cls = class_create(THIS_MODULE, "fs_dev");
    if (IS_ERR(cls)) {
        unregister_chrdev(major, "fs_dev");
        return PTR_ERR(cls);
    }
    dev = class_device_create(cls, NULL, NULL, &fops, "fs_dev");
    if (IS_ERR(dev)) {
        class_destroy(cls);
        unregister_chrdev(major, "fs_dev");
        return PTR_ERR(dev);
    }
    return 0;
}

static void __exit fs_exit(void) {
    class_device_destroy(dev);
    class_destroy(cls);
    unregister_chrdev(major, "fs_dev");
}

static struct file_operations fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = fs_open,
    .release = fs_release,
    .read = fs_read,
    .write = fs_write,
};

module_init(fs_init);
module_exit(fs_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

七、总结

通过以上五大实战题目，学生可以深入了解操作系统内核的运作机制，提高实践能力。在实际操作过程中，学生需要不断学习和探索，才能更好地掌握操作系统内核的相关知识。