操作系统实验2进程管理报告

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1、实验一 进程管理一、实验目的：1.加深对进程概念的理解，明确进程和程序的区别；2.进一步认识并发执行的实质；3.分析进程争用资源的现象，学习解决进程互斥的方法；4.了解Linux系统中进程通信的基本原理；二、实验预备内容：1.阅读 Linux 的 sched.h 源码文件，加深对进程管理概念的理解；2.阅读Linux的fork()源码文件，分析进程的创建过程；三、实验环境说明：1.此实验采用的是 Win7(32bit)下虚拟机 VMware-workstation-10.0.4 build-2249910 ；2.ubuntu 版本 3.19.0；3.直接编写 c 文件在终端用命令行执行；4.虚

2、拟机分配8G内存中的1024M；5.虚拟机名称 knLinux；6.ubuntu用户名kn；四、实验内容：1.进程的创建：a) 题目要求：编写一段程序，使用系统调用 fork() 创建两个子进程。当此程序运行 时，在系统中有一个父进程和两个子进程活动。让每一个进程在屏幕上显 示一个字符：父进程显示字符“a”，子进程分别显示字符“b”和“c”。 试观察记录屏幕上的显示结果，并分析原因。b) 程序设计说明：一个父进程，两个子进程，分别输出显示a,b,c。c) 源代码：4 projl.cx1# Lnclud unistdhA2include 3include 4# Lnclui sys/wa it.

3、hA5# Include otdlibhA5# Lnclui 78int main ()910pid_t pidlr pid2;1112while (pidl = fork() = -1);13if (pidl = 0)1415putchar(b);16exit(0);17丨i 18else1920while (pid2 = fork() = -1):21if (pid2 = 0)2223putchar(c1);24exit(0);25 26else27j F |28putcharfa);29exit(0);303132return 0;33d) 运行结果：rootubuntu:/home/k

4、n# gcc Downtoads/projl*c -o pl rootubuntu:/hone/knff */plarootub-untu:/h-cme/kn# bcjplar ootubuntu arootubuntu arootubuntu arootgubuntu arootubuntu arootubuntu arootgubuntu arootgubuntu ar ootubuntu arootubuntu/hone/kn# /h&me/kn# /honie/k n# /hone/knff /hone/kn# /hone/kn# /home/knU /hone/knff /hone/

5、kn# /hone/knl?arootubuntu:/hone/kn# cb./p-l arootub-untu:fhOHe/knff cb./pl dbrootubuntu:/hone/knfl c./plcb./pi cb./pl be./pl zb”/pl cb./pl cb./pl cb./pl cbjpl cb./pl cb./plbe Jpl cb Jpl cb Jpl cb,/pl be Jpl cb /pl cb|be Jpl cb./pl cb./pl cb Jpl cb Jplabrootubuntu:/hone/kn# c./pl abrootubuntu皂/上口丼 c.

6、/pl bearootubuntu:JhoEE/kntf ,/pl arootgubuntu:/hone/knS cb./pl arootubuntu:/home/knS be./plaebrootubuntu:/hoE亡/knl? ,/pl arootubuntu:/hone/kn# ar ootgubuntu:/hone/kn# arootubuntu:/hone/kn# a rootub u ntu: /h-one/kntf arootubuntu:/hDne/kn1? arootubuntu:/home/kn# a rootub-u ntu: /h one/knffabcrootubu

7、ntu:JhoEE/kntf ,/pl arootgubuntu:/hone/knS arootgubuntu:/home/knS arootubuntu:/home/kn# arootubuntu:/home/knS arootgubuntu:/home/kn#e) 分析：由输出结果可知，运行结果不唯一，可以是 abc,acb,bca 等多种情况。 因为在程序中，并没有三个进程之间的同步措施，所以父进程和子进程的 输出顺序是随机的。在试验次数足够大的情况下，6 中顺序都有可能出现： abc, acb, bac, bca, cab, cba。2. 进程的控制：a) 修改已经编写的程序，将每个进

8、程输出一个字符改为每个进程输出一句话， 再观察程序执行时屏幕上出现的现象，并分析原因。i. 程序设计说明：将第一个程序中输出字符的语句改为输出 parent process 和 child process1&2 的语句。ii. 源代码：123456789101 1坨13141516171819202 12223242526272829303 1323334prQj2Lxtfincludc unistd.ho#Lnclusys/types# i. ck I# Lnc luc # Include cstdlib.ho#im Int mainC)pid_t pidl, pid2;while (pid

9、l = fork) = -1);ii (pidl = 0) puts(Child Progress l!n)； exlt(0);elseKpid2=fork) = -1);i-(pid2 = 0) puts(Child Progress 2!n); exit(0);sleep(4);puts (Pa rent Progress !n*); exit(0); return 0;iii. 运行结果：rootgubuntu:/hone/knff gcc Downloads/proj21*c -o p21 rootubuntu:/home/kn#Child Progress 11Child Progr

10、ess 21Parent Progressrootgubuntu:/h&ne/kn# |rootgubuntu:/hone/kn# */p21 Child Progress 2!Child Progress 1!Parent Progress 1root|gutuntur/hone/kn# |iv. 分析： 发现在结果中，运行结果同第一个程序，但是在一个进程输出语句 的中途不会被打断，语句都是完整的。但是三条语句的先后顺序随机， 不能够确定。b)如果在程序中使用系统调用lockf ()来给每一个进程加锁，可以实现进程之间的互斥，观察并分析出现的现象。i. 程序设计说明：在程序中加入lockf(

11、l,l,0)和lockf(l,0,0)语句用于加锁和去锁，实现 进程之间的互斥。在程序中加入sleep()函数让父进程休息，多循环进 行子进程的输出，可观察到加锁前后的差距。ii. 源代码：prqj22xI! aint ma in()910pid_t pidl, pid2;11int i;1213while (pidl = fork() = 7;14if (pidl = 0)1516lockf(l( lf 0);/lock17(1 = 0; i 4； 1 +)1819sleep(i);20puts(Child Progress l!n)；2122lockf(l 0r 3);/unlock23e

12、xlt(0);2425else2627while (pid2 = fork() = -1J;28(pid2 = 0)2930lockf(1, 1 0);/lock31(i = 0； i p22 rootubuntu:/home/kn# ”/p22Parent Progress!Child Progress 21Chtld Progress 21Child Progress 21Chtld Progress 21Child Progress 11Chtld Progress 11Chtld Progress 1!Chtld Progress 1!Parent Progress!rootfflub

13、untu:/home/kn# I若去掉lockf()，结果如下:rootgubuntui/home/kn# gcc Downloads/pro22 *c -o p22 rootubuntu:/home/kn# ./p22Parent ProgressChild Progress 2!Child Progress 1!Child Progress 21Child Progress 1!Child Progress 2!Child Progress 1!Child Progress 1!Child Progress 21Parent Progressrootgubuntu:/home/kn# |i

14、v. 分析:通过上网查阅资料，了解到lockf(fileno(fp),F_LOCK,OL)函数中， fileno(fp)是要加锁的文件，其中1则为标准输出流；F_LOCK为1则 加锁，0则解锁；0L为文件长度，0则为整个文件。由输出结果观察 到，加锁的函数使得程序结果发生了变化。在加锁后，根据结果显示， 一个进程全部输出完毕后才交给另一个进程，表现为连续的1 和连续 的 2 ；而没有加锁的话，每一个进程输出完毕一次就随机选择一个进 程进行输入，直到全部输出完毕，导致每一次输出的进程都是随机的。 从而看出lockf()对两个进程的输出表现出互斥作用。进程互斥是指两个或两个以上的进程，不能同时进入

15、关于同一组共 享变量的临界区域，否则可能发生与时间有关的错误。而lockf()函数 作为监视锁，对锁定的进程控制访问。而在多次输出后，三个进程有 可能同时进入同一组共享变量的临界区域，所以结果发生改变。3. 进程的软中断：a) 编写一段程序，使其实现进程的软中断通信；i. 题目要求：使用系统调用 fork() 创建两个子进程，再用系统调用 signal() 让父 进程捕捉键盘上来的中断信号(即按DEL键)；当捕捉到中断信号后， 父进程用系统调用Kill()向两个子进程发出信号，子进程捕捉到信号 后分别输出下列信息后终止：Child Process 1 is killed by Parent!

16、Child Process 2 is killed by Parent! 父进程等待两个子进程终止后，输出如下的信息后终止： Parent Process is killedii. 程序设计说明：利用Del触发软中断SIGINT。要求在中断来临前，两个子进程都 处于等待状态，中断来临后立即响应。因此加入了my_wait ()和my_stop()两个函数，并通过flag来实现子进程对中断信号的屏蔽。 父进程在杀死子进程后自杀，则引入 SIGUSR1 和 SIGUSR2 两个信 号，分别让两个子进程监听这个信号，父进程收到中断信号后通过这 两个信号对子进程发出kill信号，再自杀。在程序的实现过程

17、中，我 们需要父进程等待子进程终止后再自杀，则需要子进程引入 signal 预置软中断处理函数，等待父进程向他发出软中断信号，而不是直接 从键盘上自行接受，再自行终止。而父进程使用 kill 向子进程发送软 中断信号，并且wait直到子进程处理中断，使用exit(O)终止执行并 且向父进程返回终止信息。父进程一旦收到子进程发送来的终止信息 则结束等待，终止自己的进程。iii. 源代码：123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536proj3.c# nclud # nclude # nelude # nclude #

18、 nclude # nclude # nclude int flag; pid_t pidl, pid2;void my_wait(int q) (flag); void my_stop(int q) flag = 0;int main() signal(SIGINTf my_stop):while (pidl = forkO) = -1); if (pidl = 0)flag = 1;/pl set waitingsignal(SIGUSRlr my_stop);/set SIGUSR1 to stop my_wait(0);/waitinglockf(lt 1, 0);/lockputs(

19、HnChild Process 1 is killed by Parent!); lockf(lf 0, 0);/unlocksleep(l);exit(0);37else3S39while (pldZ = fork) = -1);40(pid2 = 0)41+2flag = 1;p2 set waiting43signal(SIGUSR2, my_stop);/set SIGUSR2 to stop44my_wait(0);45lockf(1, lr 8);/lock46puts(nChild Process 2 is killed by Parent!);47lockf(1, r 0);/

20、unlock48sleep(i);49exlt(0);5051else52)=-1);/ycrearte child progress 119if (pidl = 0)2&21lockf(river1t 1,0); /lock22sprirrtf(wbt Child1 is sending a messagelXn);23write(river1r wbrRW_MAX);24lockf(river1, 0,0); /unlock25exlt(0);2627else2829while (pid2=fork(J= -1J;/create child progress 230if (pid2 = 0

21、)3132sleep(l);/wait pl33lockf(river r1, 0);/lock34sprintf(wb, Child 2 is sending a message!n);35write(river1twb” RW,MAX);36lockf(river rC, 0)iZ/inlock37exltO);3839else4041waitNULL;/wait pl42read(river0rrb# RW MAX);43printf(,(%snrrb);44wait(NULL;/wait p245read(river0rrb, RW MAX);46printf(,(%snrrb);47

22、exit(0);484950戸叩return 0;1亦4 TC广rdbnmn乓忘d) 运行结果：rootubuntu:/home/kn# g匚匚 Downlodds/proj4.c -o p4 rootgubuntu:/home/kn# Jp4Child 1 ts sending a message!Child 2 is sending a message 1rootubuntu:/home/kn# |e) 分析： 若是多次进行管道写入，并想保证一个进程完整运行，则必须加锁； 若单次，不一定需要lockf(),因为一个标准输出流一定会完整的写完不被 中断，然后再进行其他操作。在管道通信中，系统

23、调用pipe()函数初始化 一个二元组作为管道， 1 为出， 0 为进，以此来保证管道通信不发生冲突。五、 思考：1. 系统是怎样创建流程的？操作系统在创建流程时，首先申请空白的PCB (进程控制块)，再为新进 程分派资源，然后初始化PCB，最终将新进程插入就绪队列中。而在我们编 程的过程中，系统通过调用fork()函数来创建进程。而当一个进程中调用了 fork()函数时，则系统会为这个进程创建一个子进程。这个子进程和父进程不 同的地方只有他的进程ID,其他部分都一样。也就是说新进程通过克隆老进 程或是当前进程来创建。其中系统调用fork()或 clone()函数可以创建新任务， 复制发生在核

24、心状态下地核心中。复制完成后， Linux 允许两个进程共享资源 而不是复制各自的拷贝(包括文件、信号处理过程和虚拟内存)。而在创建后，先执行父进程还是子进程则取决于内核的调度算法。子进程 被创建后，父子进程相互竞争系统的资源，并行执行。若想子进程先继续执行， 则需要父进程阻塞至子进程完成任务，即用wait()系统调用来完成。2. 可执行文件加载时进行了哪些处理？在编译执行源代码的过程中，由程序，到编译预处理，到编译，到优化程 序，到汇编程序，到链接程序，最后到可执行文件。在加载可执行文件时首先 操作系统应该判断该文件是否为一个合法的执行文件，若是则按照段表中的指 示为可执行文件分配地址空间。

25、在加载文件的过程中，主要是需要加载程序段 和数据段到内存，并且进行外部定义符号的重定位。任何一个可执行文件，启 动时都需要调用Ntdll.dll中的NtCreateProcess()函数。3. 当首次调用新创建进程时，其入口在哪里？在进程队列 ready 的状态下，由离自己最近的父进程执行 调度，即入口在最近的父进程处，是fork()之后的语句。4. 进程通信有什么特点？linux下进程间通信的几种主要方式：管道(Pipe)及有名管道(named pipe)：管道可用于具有亲缘关系进程间的通 信，有名管道克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外， 它还允许无亲缘关系进程间的通信

26、；信号(Signal)：信号是比较复杂的通信方式，用于通知接受进程有某种事件 发生，除了用于进程间通信外，进程还可以发送信号给进程本身；linux除了支持 Unix早期信号语义函数sigal 外,还支持语义符合Posix.1标准的信号函数sigaction（实际上，该函数是基于BSD的，BSD为了实现可靠信号机制，又能够统一对 外接口，用sigaction函数重新实现了 signal函数）；报文（Message）队列（消息队列）：消息队列是消息的链接表，包括Posix消 息队列system V消息队列。有足够权限的进程可以向队列中添加消息，被赋予读 权限的进程则可以读走队列中的消息。消息队列克

27、服了信号承载信息量少，管道 只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。共享内存：使得多个进程可以访问同一块内存空间，是最快的可用IPC形式。 是针对其他通信机制运行效率较低而设计的。往往与其它通信机制，如信号量结 合使用，来达到进程间的同步及互斥。信号量（semaphore）：主要作为进程间以及同一进程不同线程之间的同步手段。 套接口（Socket）：更为一般的进程间通信机制，可用于不同机器之间的进程 间通信。起初是由Unix系统的BSD分支开发出来的，但现在一般可以移植到其 它类Unix系统上：Linux和System V的变种都支持套接字总的来说，进程间的通信根据通信内容可以划分为控制

28、信息的传送（低级通信） 和大批数据的传送（高级通信）。在消息队列中信息的复制需要额外消耗CPU时 间，不适宜于信息量大或操作频繁的场合；共享内存针对消息缓冲的缺点改而利 用内存缓冲区直接交换信息，无需复制，快捷、信息量大就是又是。但是不同的 进程通信方式有不同的优缺点，因此对于不同应用问题，需要根据问题本身情况 来选择进程间的通信方式。六、 总结：本次实验中我遇到了很多大大小小的问题，首先就是linux虚拟机安装的问题。 先是下载了 virtualbox 软件但却因为版本问题一直不能安装 linux 系统成功。于是 转而用VMware软件。安装上后，仍须安装gcc、g+等编译工具，于是上网搜索

29、 命令行安装的方法。利用 apt-get update、apt-get upgrade、apt-get install gcc 语句安 装成功，但g+编译器一直提示：rhe following packages have unmet dependencies:g+ : Depends; g+-4,84,Sh2-5-) but It Is not Zng to be installedE: Unable to correct problens you have held broken packages.这次的实验通过进程创建、进程互斥、进程软中断、管道进程四个小程序让我 们对进程管理这一章有了更深的理解。在听课时，由于没有将书本跟实际动手操作 联系在一起，对知识的印象不是很深，但这次为了编程，将书本上的内容完完整整 过了好几遍，对进程中fork（）、kill（）、signal。、lockf（）、pipe（）等函数有了更深的了 解。因为管道进程在书上并没有怎么涉及，知识在ppt上有补充，因此通过上网查 阅了许多资料才了解如何进行操作。总体来说，这一次的实验，我们真正通过程序，了解到了进程管理、进程间通 信的过程，加深了印象，也学习到了很多书本上没有的知识，还学会了 linux环境 下的编程、调试，受益匪浅。