【操作系统】实验二：观察Linux，使用proc文件系统

实验二 观察Linux，使用proc文件系统

实验目的：学习Linux内核、进程、存储和其他资源的一些重要特征。读/proc/stat文件，计算并显示系统CPU占用率和用户态CPU占用率。（编写一个程序使用/proc机制获得以及修改机器的各种资源参数。需要使用fopen()，fscanf()，printf()）

2.1 介绍

Linux操作系统提供了一套非常有用的在用户态检查内核状态的机制——/proc文件系统。在该文件系统将 进程的地址空间，系统的硬件信息（包括CUP、内存状态以及网卡等各种硬件设备）以及操作系统系统（中断、IO）等内容全部设置成虚拟的Linux文件——它只存在内存当中，而不占用外存空间。它以文件系统的方式为访问系统内核数据的操作提供接口。

​ /proc 中的每个文件都有一组分配给它的非常特殊的文件许可权，并且每个文件属于特定的用户标识，这里面的文件仅仅包含以下三种权限（除非root用户特别授权）：

1． 只读：任何用户都不能更改该文件；它用于表示系统信息；

2． root 写：如果 /proc 中的某个文件是可写的，则通常只能由 root 用户来写；

3． root 读：有些文件对一般系统用户是不可见的，而只对 root 用户是可见的；

4． 其它：出于各种原因，您可能会看到不同于上面常见的三种许可权的组合。

当然，除了/proc/sys目录以外，其余大部分目录下的文件对于root用户是只读的，该目录下存放的是内核参数，并被设计成为运行时刻修改的。

以下列出了/proc文件系统各个子目录的内容：

并不是所有的目录在你的系统中都有，这取决于你内核的配置和装载的模块。另外，/proc目录下还有两个很重要的目录：net和scsi，均依赖于内核的配置。例如，如果你的系统不支持sici设备则sici目录不存在。

除此之外，你还会发现一些以数字命名的目录，它们是进程目录。系统中当前运行的每一个进程都有一个对应的目录在/proc下，以进程的ID号为目录名，他们就是读取进程信息的接口。每个进程目录的结构如下：

​ 如果你要察看系统信息，可以使用cat命令，例如：

# cat /proc/interrupts

CPU0

0: 8728810 XT-PIC timer

1: 895 XT-PIC keyboard

2: 0 XT-PIC cascade

3: 531695 XT-PIC aha152x

4: 2014133 XT-PIC serial

5: 44401 XT-PIC pcnet_cs

8: 2 XT-PIC rtc

11: 8 XT-PIC i82365

12: 182918 XT-PIC Mouse

13: 1 XT-PIC fpu PS/2

14: 1232265 XT-PIC ide0

15: 7 XT-PIC ide1

NMI: 0

前面已经说过，/proc/sys目录不仅提供了内核信息，而且可以通过它修改内核参数。（但是你必须很小心，因为可能会造成系统崩溃。最好是先找一台无关紧要的机子，调试成功后再应用到你的系统上。） 要改变内核的参数，只要用vi编辑或echo参数重定向到文件中即可。下面有一个例子：

# cat /proc/sys/fs/file-max

4096

# echo 8192 > /proc/sys/fs/file-max

# cat /proc/sys/fs/file-max

8192

2.2 实验内容

​ 部分A

以超级用户的身份进入/proc目录，在终端上键入ls命令，察看该目录下的内容，同时察看每个文件的读写权限。

如图所示：

选择一台机器，试着回答下列问题：

l CPU的类型和型号。

使用如下命令：cat /proc/cpuinfo | grep “model name”，如图所示：

l 所使用的Linux的版本。

使用命令uname -r来查看当前虚拟机的内核版本，如图所示：

l 从启动到当前时刻经过的时间。

使用命令uptime来查看从启动到当前时刻经过的时间，如图所示：

l 内存状态。

使用命令：cat /proc/meminfo来查看内存状态，如图所示：

​ 部分B

l 编写一个程序，用来获得内核参数（任意的参数均可）。

以下是读取内核参数swappiness（用于控制系统的内存管理，特别是交换空间（swap）的使用行为。它的值范围是 0 到 100）的值的代码：

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

int main() {
    int swappiness;
    FILE *fp;

    // 打开 /proc/sys/vm/swappiness 文件
    fp = fopen("/proc/sys/vm/swappiness", "r");
    if (fp == NULL) {
        perror("fopen");
        return 1;
    }

    // 读取 swappiness 值
    fscanf(fp, "%d", &swappiness);
    fclose(fp);

    printf("现在的swappiness值为: %d\n", swappiness);
    return 0;
}

我创建了一个getparameter.c 的文件，使用命令gcc -o getparameter getparameter.c命令来编译这个C语言文件，在使用./getparameter指令来执行上述C语言文件，执行之后的结果如下：

l I 编写一个程序，用来修改内核参数（任意的参数均可），现在我们编了一个可以更改swappiness（低值（如 10-20）: 适用于需要高性能的场景，例如游戏或实时应用。这种情况下，系统会尽量保留数据在物理内存中，以提高访问速度；高值（如 60-80）: 适用于服务器或需要长时间运行的应用，尤其是在内存较小的情况下。这样可以更好地利用交换空间，避免因内存不足导致的应用崩溃）的代码，我们选择将swappiness的值修改为10，代码如下：

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

int main() {
    int new_swappiness = 10; // 设置新的 swappiness 值
    FILE *fp;

    // 打开 /proc/sys/vm/swappiness 文件进行写入
    fp = fopen("/proc/sys/vm/swappiness", "w");
    if (fp == NULL) {
        perror("fopen");
        return 1;
    }

    // 写入新的 swappiness 值
    fprintf(fp, "%d", new_swappiness);
    fclose(fp);

    printf("Swappiness的值被设置为: %d\n", new_swappiness);
    return 0;
}

执行之后，如图所示：

此时，swappiness的值就成功的修改为了10。

2.3 实验步骤

1） 使用man命令了解/proc/stat文件的内容和格式：

man proc

如图所示：

2） 使用man命令了解下列函数的使用方法：

fopen：

命令：man fopen

原型：FILE *fopen( const char *filename, const char *mode );

以打开一个流(文件)。filename——文件名，mode——访问许可类型。

如图所示：

fscanf：

命令：man fscanf

原型：int fscanf( FILE *stream, const char *format [, argument ]… );

从流中读取格式化的数据。

例子fscanf (fp ,“cpu %ld”, &user)是指跳过字符串"cpu "及其前面的字符流，读取一个长整数并存入user中。其中fp为文件流指针。%ld对应长整数，%d对应整数，%s对应字符串。

如图所示：

fclose：

命令：man fclose

原型：int fclose( FILE *stream );

关闭流(文件)。

如图所示：

3）用c语言编程

总CPU时间 = 用户占用时间+系统占用时间+优先进程占用时间+闲置进程占用时间

系统CPU占用率 = 系统占用时间 / 总CPU时间

用户态CPU占用率 = 用户占用时间 / 总CPU时间

代码如下：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
 
unsigned long long get_cpu_time() {
    unsigned long long user, nice, system, idle;
    // 读取/proc/stat文件中的CPU时间信息
    FILE* file = fopen("/proc/stat", "r");
    fscanf(file, "cpu %llu %llu %llu %llu", &user, &nice, &system, &idle);
    fclose(file);
    return user + nice + system + idle;
}
int main() {
    unsigned long long prev_total_time = 0, prev_user_time = 0;
    double system_cpu_usage, user_cpu_usage;
    while (1) {
        // 获取当前的CPU时间信息
        unsigned long long total_time = get_cpu_time();
        unsigned long long user_time = total_time - get_cpu_time();
        // 计算系统CPU占用率和用户态CPU占用率
        if (prev_total_time != 0) {
            system_cpu_usage = (double)(total_time - prev_total_time - (user_time - prev_user_time)) / (total_time - prev_total_time);
            user_cpu_usage = (double)(user_time - prev_user_time) / (total_time - prev_total_time);
 
            printf("系统CPU占用率：%.2f%%\n", system_cpu_usage * 100);
            printf("用户态CPU占用率：%.2f%%\n", user_cpu_usage * 100);
        }
 
        prev_total_time = total_time;
        prev_user_time = user_time;
 
        sleep(1);  // 每隔1秒钟更新一次CPU时间信息
    }
 
    return 0;
}

4）编译和运行

使用命令vim CpuInfo.c创建一个C语言文件，将上述的代码复制进去

使用命令gcc -o CpuInfo CpuInfo.c编译此C语言文件

使用命令./CpuInfo运行此文件，结果如图所示：

2.4 实验总结

1.在本次实验中，我深入探索了Linux的proc文件系统，了解其在系统监控和管理中的重要性。proc文件系统以虚拟文件的形式提供了内核和进程的信息，位于 /proc 目录下。通过读取这些文件，我能够获取系统的实时状态，包括CPU使用率、内存占用、进程信息等。

2.使用命令如 cat /proc/cpuinfo 和 cat /proc/meminfo，我获取了详细的CPU和内存信息，帮助我理解系统资源的分配情况。此外，/proc/[pid]/status 文件让我能够查看特定进程的状态和资源使用情况，增强了我对进程管理的理解。

3.通过对proc文件系统的观察，我认识到其在系统调试和性能监控中的关键作用。这次实验不仅提升了我对Linux内核的理解，也为后续的系统优化和故障排查打下了基础。未来，我希望能进一步研究proc文件系统的其他功能，如进程调度和内核参数调整。