实验一进程管理.docx
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实验一进程管理
实验一进程管理
1.实验目的
⑴加深对进程概念的理解，明确进程和程序的区别；
⑵进一步认识并发执行的实质；
⑶分析进程争用资源的现象，学习解决进程互斥的方法；
⑷了解Linux系统中进程通信的基本原理。
2.实验准备
⑴阅读Linux的sched.h源码文件，加深对进程管理的理解。
⑵阅读Linux的fork.h源码文件，分析进程的创建过程。
3.实验内容
⑴进程的创建
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”；子进程显示字符“b”和字符“c”。
试观察记录屏幕上的显示结果，并分析原因。
⑵进程的控制
修改已编写的程序，将每个进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。
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。
⑶软中断通信
编制一段程序实现进程的软中断通信。
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发来的中断信号（既按Del键）；当捕捉到中断信号后，父进程系统调用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：
Childprocess1iskilledbyparent!
Childprocess2iskilledbyparent!
父进程等待两个子进程终止后，输出如下的信息后终止：
Parentprocessiskilled!
在上面的程序中增加语句signal（SIGINT,SIG_IGN）和signal（SIGQUIT,SIG_IGN），观察执行结果，并分析原因。
4.实验指导
1）进程
LINUX中，进程既是一个独立拥有资源的基本单位，又是一个独立调度的基本单位。
一个进程实体由若干个区（段）组成，包括程序区、数据区、栈区、共享存储区等。
每个区又分为若干页，每个进程配置有唯一的进程控制块PCB，用于控制和管理进程。
PCB的数据结构如下：
（A）进程表项（ProcessTableEntry）。
包括一些最常用的核心数据：
进程标识符PID、用户标识符UID、进程状态、事件描述符、进程和U区在内存或外存的地址、软中断信号、计时域、进程的大小、偏置值nice、指向就绪队列中下一个PCB的指针P_Link、指向U区进程正文、数据及栈在内存区域的指针。
（B）U区（UArea）。
用于存放进程表项的一些扩充信息。
每一个进程都有一个私用的U区，其中含有：
进程表项指针、真正用户标识符uruid（readuserID）、有效用户标识符ueuid（effectiveuserID）、用户文件描述符表、计时器、内部I/O参数、限制字段、差错字段、返回值、信号处理数组。
由于LINUX系统采用段页式存储管理，为了把段的起始虚地址变换为段在系统中的物理地址，便于实现区的共享。
（C）系统区表项。
以存放各个段在物理存储器中的位置等信息。
系统把一个进程的虚地址空间划分为若干个连续的逻辑区，有正文区、数据区、栈区等。
这些区是可被共享和保护的独立实体，多个进程可共享一个区。
为了对区进行管理，核心中设置一个系统区表，各表项中记录了以下有关描述活动区的信息：
区的类型和大小、区的状态、区在物理存储器中的位置、引用计数、指向文件索引结点的指针。
（D）进程区表
系统为每个进程配置了一张进程区表。
表中，每一项记录一个区的起始虚地址及指向系统区表中对应的区表项。
核心通过查找进程区表和系统区表，便可将区的逻辑地址变换为物理地址。
2）进程映像
LINUX系统中，进程是进程映像的执行过程，也就是正在执行的进程实体。
它由三部分组成：
（A）用户级上下文。
主要成分是用户程序；
（B）寄存器上下文。
由CPU中的一些寄存器的内容组成，如PC，PSW，SP及通用寄存器等；
（C）系统级上下文。
包括OS为管理进程所用的信息，有静态和动态之分。
3）所涉及的系统调用
（A）fork（），创建一个新进程，并复制进程，使父子进程内容几乎相同。
系统调用格式：
pid=fork（）
参数定义：
intfork（）
fork（）返回值意义如下：
0：
在子进程中，pid变量保存的fork（）返回值为0，表示当前进程是子进程。
>0：
在父进程中，pid变量保存的fork（）返回值为子进程的id值（进程唯一标识符）。
-1：
创建失败。
如果fork（）调用成功，它向父进程返回子进程的PID，并向子进程返回0，即fork（）被调用了一次，但返回了两次。
此时OS在内存中建立一个新进程，所建的新进程是调用fork（）父进程（parentprocess）的副本，称为子进程（childprocess）。
子进程继承了父进程的许多特性，并具有与父进程完全相同的用户级上下文。
父进程与子进程并发执行。
核心为fork（）完成以下操作：
a）为新进程分配一进程表项和进程标识符
进入fork（）后，核心检查系统是否有足够的资源来建立一个新进程。
若资源不足，则fork（）系统调用失败；否则，核心为新进程分配一进程表项和唯一的进程标识符。
b）检查同时运行的进程数目
超过预先规定的最大数目时，fork（）系统调用失败。
c）拷贝进程表项中的数据
将父进程的当前目录和所有已打开的数据拷贝到子进程表项中，并置进程的状态为“创建”状态。
d）子进程继承父进程的所有文件
对父进程当前目录和所有已打开的文件表项中的引用计数加1。
e）为子进程创建进程上、下文
进程创建结束，设子进程状态为“内存中就绪”并返回子进程的标识符。
f）子进程执行
虽然父进程与子进程程序完全相同，但每个进程都有自己的程序计数器PC（注意子进程的PC开始位置），然后根据pid变量保存的fork（）返回值的不同，执行了不同的分支语句。
（B）wait（）
等待子进程运行结束。
如果子进程没有完成，父进程一直等待。
wait（）将调用进程挂起，直至其子进程因暂停或终止而发来软中断信号为止。
如果在wait（）前已有子进程暂停或终止，则调用进程做适当处理后便返回。
系统调用格式：
intwait（status）
int*status;
其中，status是用户空间的地址。
它的低8位反应子进程状态，为0表示子进程正常结束，非0则表示出现了各种各样的问题；高8位则带回了exit（）的返回值。
exit（）返回值由系统给出。
核心对wait（）作以下处理：
a）首先查找调用进程是否有子进程，若无，则返回出错码；
b）若找到一处于“僵死状态”的子进程，则将子进程的执行时间加到父进程的执行时间上，并释放子进程的进程表项；
c）若未找到处于“僵死状态”的子进程，则调用进程便在可被中断的优先级上睡眠，等待其子进程发来软中断信号时被唤醒。
（C）exit（）
终止进程的执行。
系统调用格式：
voidexit（status）
intstatus;
其中，status是返回给父进程的一个整数，以备查考。
为了及时回收进程所占用的资源并减少父进程的干预，LINUX/LINUX利用exit（）来实现进程的自我终止，通常父进程在创建子进程时，应在进程的末尾安排一条exit（），使子进程自我终止。
exit（0）表示进程正常终止，exit
（1）表示进程运行有错，异常终止。
如果调用进程在执行exit（）时，其父进程正在等待它的终止，则父进程可立即得到其返回的整数。
核心须为exit（）完成以下操作：
a）关闭软中断
b）回收资源
c）写记帐信息
d）置进程为“僵死状态”
（D）lockf（files,function,size）:
用作锁定文件的某些段或者整个文件，本函数适用的头文件为：
#include
参数定义：
intlockf（files,function,size）
intfiles,function;
longsize;
其中：
files是文件描述符：
function是锁定和解锁；1表示锁定，0表示解锁。
size是锁定和解锁的字节数，若用0，表示从文件的当前位置到文件尾。
（E）signal（sig,function）:
允许调用进程控制软中断信号的处理。
头文件为：
#include
参数定义:
signal（sig,function）;
intsig;
void（*func）（）;
其中：
sig的值是：
SIGHVP挂起
SIGINT键盘按^c键或break键
SIGQUIT键盘按quit键
SIGILL非法指令
SIGIOTIOT指令
SIGEMTEMT指令
SIGFPE浮点运算溢出
SIGKILL要求终止进程
SIGBUS总线错
SIGSEGV段违例
SIGSYS系统调用参数错
SIGPIPE向无读者管道上写
SIGALRM闹钟
SIGTERM软件终结
SIGUSRI用户定义信号
SIGUSR2第二个用户定义信号
SIGCLD子进程死
SIGPWR电源故障
function的解释如下：
SIG_DEL：
缺省操作。
对除SIGPWR和SIGCLD外所有信号的缺省操作是进程终结对信号SIGQUIT,SIGILL,SIGTRA,SIGIOT,SIGEMT,SIGFPE,SIGBUS,SIGSEGV和SIGSYS它产生一内存映像文件。
SIG_IGN：
忽视该信号的出现。
Function:
在该进程中的一个函数地址，在核心返回用户态时，它以软中断信号的序号作为参数调用该函数，对除了信号SIGILL,SIGTRAP和SIGTWR以外的信号，核心自动地重新设置软中断信号处理程序的值为SIG_DEL，一个进程不能捕获SIGKILL信号。
（F）［KILL］功能描述：
用于向任何进程组或进程发送信号。
1 #include
2
3 #include
4
5 int kill（pid_t pid, int sig）;
参数：
pid：
可能选择有以下四种
1.pid大于零时，pid是信号欲送往的进程的标识。
2.pid等于零时，信号将送往所有与调用kill（）的那个进程属同一个使用组的进程。
3.pid等于-1时，信号将送往所有调用进程有权给其发送信号的进程，除了进程1（init）。
4.pid小于-1时，信号将送往以-pid为组标识的进程。
sig：
准备发送的信号代码，假如其值为零则没有任何信号送出，但是系统会执行错误检查，通常会利用sig值为零来检验某个进程是否仍在执行。
返回值说明：
成功执行时，返回0。
失败返回-1，errno被设为以下的某个值EINVAL：
指定的信号码无效（参数sig不合法）EPERM；权限不够无法传送信号给指定进程ESRCH：
参数pid所指定的进程或进程组不存在
4）参考程序
⑴进程的创建<程序>
#include
main（）
{
intp1,p2;
while（（p1=fork（））==-1）;/*创建子进程*/
if（p1==0）/*子进程创建成功*/
putchar（‘b’）;
else
{
while（（p2=fork（））==-1）;/*创建另一个子进程*/
if（p2==0）/*子进程创建成功*/
putchar（‘c’）;
else
putchar（‘a’）;/*父进程执行*/
}
}
<运行结果>
bca（有时会出现bac等）
<分析>
从进程并发执行来看，输出bac,acb等情况都有可能。
<原因>
fork（）创建进程所需的时间虽然可能多于输出一个字符的时间，上面的三个进程没有同步措施，所以父进程与子进程的输出内容会叠加在一起。
输出次序带有随机性。
。
⑵进程的控制
<程序1>
#include
main（）
{
intp1,p2,i
while（（p1=fork（））==-1）;
if（p1==0）
for（i=0;i<50;i++）printf（“child%d\n”,i）;
else
{
while（p2=（fork（））==-1）;
if（p2==0）
for（i=0;i<50;i++）printf（“son%d\n”,i）;
else
for（i=0;i<50;i++）printf（“daughter%d\n”,i）;
}
}
<运行结果>
child…
son…
daughter…
daughter…
或child
…son
…child
…son
…daughter
…等
<分析>
由于函数printf（）输出的字符串之间不会被中断，因此，字符串内部的字符顺序输出时不变。
但是，由于进程并发执行时的调度顺序和父子进程的抢占处理机问题，输出字符串的顺序和先后随着执行的不同而发生变化，这与打印单字符的结果相同。
<程序2>
#include
#include
#include
#include
main（）
{
intp1,p2,i;
if（p1=fork（））
{
lockf（1,1,0）;
for（i=0;i<50;i++）
printf（"parent%d\n",i）;
lockf（1,0,0）;
wait（0）;/*保证在子进程终止前，父进程不会终止*/
exit（0）;
}
else
{
if（p2=fork（））
{
lockf（1,1,0）;
for（i=0;i<50;i++）
printf（"son%d\n",i）;
lockf（1,0,0）;
wait（0）;/*保证在子进程终止前，父进程不会终止*/
exit（0）;
}
else
{
lockf（1,1,0）;
for（i=0;i<50;i++）
printf（"daughter%d\n",i）;
lockf（1,0,0）;
exit（0）;
}
}
}
<运行结果>
大致与未上锁的输出结果相同，也是随着执行时间不同，输出结果的顺序有所不同。
<分析>
因为上述程序执行时，lockf（1,1,0）锁定标准输出设备，lockf（1,0,0）解锁标准输出设备，在lockf（1,1,0）与lockf（1,0,0）中间的for循环输出不会被中断，加锁与不加锁效果不相同。
⑶软中断通信
<程序流程图>
<程序1>
#include
#include
#include
#include
voidwaiting（）,stop（）,alarming（）;
intwait_mark;
main（）
{
intp1,p2;
if（p1=fork（））/*创建子进程p1*/
{
if（p2=fork（））/*创建子进程p2*/
{//父进程
wait_mark=1;
signal（SIGINT,stop）;/*接收到’DEL’信号，转stop*/
signal（SIGALRM,alarming）;/*接受SIGALRM*/
waiting（）;
kill（p1,16）;/*向p1发软中断信号16*/
kill（p2,17）;/*向p2发软中断信号17*/
wait（0）;/*同步*/
wait（0）;
printf（"parentprocessiskilled!
\n"）;
exit（0）;
}
else
{
wait_mark=1;
signal（17,stop）;
signal（SIGINT,SIG_IGN）;/*忽略^c信号*/
while（wait_mark!
=0）;
lockf（1,1,0）;
printf（"childprocess2iskilledbyparent!
\n"）;
lockf（1,0,0）;
exit（0）;
}
}
else
{
wait_mark=1;
signal（16,stop）;
signal（SIGINT,SIG_IGN）;/*忽略^c信号*/
while（wait_mark!
=0）;
lockf（1,1,0）;
printf（"childprocess1iskilledbyparent!
\n"）;
lockf（1,0,0）;
exit（0）;
}
}
voidwaiting（）
{
sleep（5）;
if（wait_mark!
=0）
kill（getpid（）,SIGALRM）;
}
voidalarming（）
{
wait_mark=0;
}
voidstop（）
{
wait_mark=0;
}
<运行结果>
childprocessp1iskilledbyparent!
childprocessp2iskilledbyparent!
parentprocessiskilled!
<分析>
不做任何操作等待五秒钟父进程会在子进程先退出后再退出，并打印退出的顺序；或者点击ctrl+C后程序退出并打印退出的顺序。
<程序2>
#include
#include
#include
#include
intpid1,pid2;
intEndFlag=0,pf1=0,pf2=0;
voidIntDelete（）
{
kill（pid1,16）;
kill（pid2,17）;
EndFlag=1;
}
voidInt1（）
{
printf（“childprocessp1iskilledbyparent!
”）
exit（0）;
}
voidInt2（）
{
printf（“childprocessp1iskilledbyparent!
”）
exit（0）;
}
main（）
{intexited;
signal（SIGINT,SIG_IGN）;
signal（SIGQUIT,SIG_IGN）;
while（（pid1=fork（））==-1）;
if（pid1==0）
{printf（“p1\n”）
signal（SIGUSR1,Int1）;
signal（16,SIG_IGN）
pause（）;
exit（0）;
}
else
while（（pid2=fork（））==-1）;
if（pid2==0）
{printf（“p2\n”）
signal（SIGUSR2,Int1）;
signal（17,SIG_IGN）
pause（）;
exit（0）;
}
else
printf（“parent\n”）;
signal（SIGINT,IntDelete）;
waitpid（-1,&exitpid,0）;
printf（“parentprocessiskilled!
\n”）;
exit（0）;
}
}
}
<运行结果>
请大家将上述程序输入计算机后，执行并观察结果。
<分析>
由于忽略了中断与退出信号，程序会一直保持阻塞状态为无法退出。
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