北邮大三操作系统进程管理实验报告.docx
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北邮大三操作系统进程管理实验报告
北邮-大三-操作系统-进程管理实验报告
实验一进程管理
1.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。
2.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。
3.实验内容
(1)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。
源代码如下:
#include
#include
#include
#include
#include
intmain(intargc,char*argv[])
{
pid_tpid1,pid2;
pid1=fork();
if(pid1<0){
fprintf(stderr,"childprocess1failed");
exit(-1);
}
elseif(pid1==0){
printf("b\n");
}
else{
pid2=fork();
if(pid2<0){
fprintf(stderr,"childprocess1failed");
exit(-1);
}
elseif(pid2==0){
printf("c\n");
}
else{
printf("a\n");
sleep
(2);
exit(0);
}
}
return0;
}
结果如下:
分析原因:
pid=fork();
操作系统创建一个新的进程(子进程),并且在进程表中相应为它建立一个新的表项。
新进程和原有进程的可执行程序是同一个程序;上下文和数据,绝大部分就是原进程(父进程)的拷贝,但它们是两个相互独立的进程!
因此,这三个进程哪个先执行,哪个后执行,完全取决于操作系统的调度,没有固定的顺序。
(2)进程的控制
修改已经编写的程序,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。
将父进程的输出改为fatherprocesscompleted
输出b的子进程改为输出childprocess1completed
输出c的子进程改为输出childprocess2completed
运行的结果如下:
理由同
(1)
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。
加锁之后的代码:
#include
#include
#include
#include
#include
intmain(intargc,char*argv[])
{
pid_tpid1,pid2;
pid1=fork();
if(pid1<0){
fprintf(stderr,"childprocess1failed");
exit(-1);
}
elseif(pid1==0){
lockf(1,1,0);
printf("childprocess1completed\n");
}
else{
pid2=fork();
if(pid2<0){
fprintf(stderr,"childprocess1failed");
exit(-1);
}
elseif(pid2==0){
lockf(1,1,0);
printf("childprocess2completed\n");
}
else{
lockf(1,1,0);
printf(“fatherprocessiscompleted\n”);
sleep
(2);
exit(0);
}
}
return0;
}
所谓进程互斥,是指两个或两个以上的进程,不能同时进入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,这种现象被称作进程互斥.lockf()函数是将文件区域用作信号量(监视锁),或控制对锁定进程的访问(强制模式记录锁定)。
试图访问已锁定资源的其他进程将返回错误或进入休态,直到资源解除锁定为止。
而上面三个进程,不存在要同时进入同一组共享变量的临界区域的现象,因此输出和原来相同。
(3)
a)编写一段程序,使其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:
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!
代码如下:
#include
#include
#include
#include
#include
#include
intwf;
voidwaiting()
{
while(wf!
=0);
}
voidstop()
{
wf=0;
}
intmain(intargc,char*argv[])
{
pid_tpid1,pid2;
pid1=fork();
if(pid1<0){
fprintf(stderr,"childprocess1failed");
exit(-1);
}
elseif(pid1==0){
wf=1;
signal(16,stop);//捕捉到父进程传来的16信号,继续往下执行
waiting();//不往下执行
lockf(1,1,0);
printf("ChildProcess1iskilledbyParent!
\n");
lockf(1,0,0);
exit(0);
}
else{
pid2=fork();
if(pid2<0){
fprintf(stderr,"childprocess1failed");
exit(-1);
}
elseif(pid2==0){
wf=1;
signal(17,stop);
//捕捉到父进程传来的17信号,继续往下执行
waiting();//不往下执行
lockf(1,1,0);
printf("ChildProcess2iskilledbyParent!
\n");
lockf(1,0,0);
exit(0);
}
else{
wf=1;
//wf为1时,不往下执行,直到捕捉到键盘上传来的信号
signal(SIGINT,stop);
//捕捉到键盘传来的信号,执行stop函数
waiting();
kill(pid1,16);//向子进程p1发软中断信号16
kill(pid2,17);
//向子进程p2发软中断信号17
wait(0);
wait(0);
printf("ParentProcessiskilled!
\n");
exit(0);
}
}
return0;
按下ctrl+c后,运行结果如下:
软中断一般是指由指令int引起的“伪”中断动作——给CPU制造一个中断的假象;而硬中断则是实实在在由8259的连线触发的中断。
kill函数的原型如下:
int kill(pid,sig),pid是一个或一组进程的标识符,参数sig是要发送的软中断信号。
signal函数的原型如下:
signal(sig,function),它以软中断信号的序号作为参数调用函数,也就是说,收到软中断信号sig后,调用函数function.当子进程1收到软中断信号16时,调用函数stop()解除“waiting”,继续往下执行;等它打印完了childprocess1iskilledbyparent,就退出;对于子进程2来说也是如此。
而父进程在此阶段一直处于“waiting”状态(执行wait(0)),直到两个子进程都退出了,父进程才会退出。
由于ctrl+c信号会并发传到每个进程中,进程受到该信号会立刻终止。
当子进程收到ctrl+c信号时,就终止了,根本不会等父进程传来的软中断信号,因此也就不会打印出childprocess1iskilled和childprocess2iskilled.
b)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。
按下ctrl+c后,运行结果如下:
signal(SIGINT,SIG-IGN)和signal(SIGQUIT,SIG-IGN)的作用是屏蔽从键盘上传来的中断信号,因此子进程可以接收到父进程传来的软中断信号,进而将那两句话打印出来
(4)进程的管道通信
编制一段程序,实现进程的管道通信。
使用系统调用pipe()建立一条管道线;两个子进程P1和P2分别向管道各写一句话:
Child1issendingamessage!
Child2issendingamessage!
而父进程则从管道中读出来自于两个子进程的信息,显示在屏幕上。
要求父进程先接收子进程P1发来的消息,然后再接收子进程P2发来的消息。
源代码如下:
#include
#include
#include
#include
#include
intmain(intargc,char*argv[])
{
pid_tpid1,pid2;
intfd[2];
charparbuf[50],childbuf[50];
pipe(fd);//建立管道
pid1=fork();
if(pid1<0){
fprintf(stderr,"childprocess2failed");
exit(-1);
}
elseif(pid1==0){
lockf(fd[1],1,0);
sprintf(childbuf,"Child2issendingamessage!
\n");
write(fd[1],childbuf,50);//向管道中写东西
sleep(5);
lockf(fd[1],0,0);
exit(0);
}
else{
pid2=fork();
if(pid2<0){
fprintf(stderr,"childprocess1failed");
exit(-1);
}
elseif(pid2==0){
lockf(fd[1],1,0);
sprintf(childbuf,"Child1issendingamessage!
\n");
write(fd[1],childbuf,50);//向管道中写东西
sleep(5);
lockf(fd[1],0,0);
exit(0);
}
else{
wait(0);//等待某个子进程结束
read(fd[0],parbuf,50);//从管道中读东西
printf("%s",parbuf);
wait(0);//等待某个子进程结束read(fd[0],parbuf,50);//从管道中读东西printf("%s",parbuf);
exit(0);
}
}
return0;
}
运行结果如下:
值得注意的是,pipe(fd);pid1=fork();这两句的位置不能调换,否则会出现下面结果:
也就是说,只有子进程1向通过管道向父进程发送信息,且程序一直不退出。
用strace命令追查,可发现
如果先fork,那么在fork之后就是两个独立的进程,在两个独立进程中分别调用pipe得到的是两个独立的fd数组,向子进程的fd[1]写入,从父进程的fd[0]读取,父进程会堵在read上,因为根本就没有进程在写父进程的fd[1]。
4.思考
(1)系统是怎样创建流程的?
系统通过调用fork函数创建进程,当一个进程调用了fork以后,系统会创建一个子进程.这个子进程和父进程不同的地方只有他的进程ID和父进程ID,其他的都是一样.就象符进程克隆(clone)自己一样.而此时子进程也与父进程分道扬镳,各自执行自己的操作。
至于先执行子进程,还是先执行父进程,取决去内核的调度算法。
一旦子进程被创建,父子进程相互竞争系统的资源.有时候我们希望子进程继续执行,而父进程阻塞直到子进程完成任务.这个时候我们可以调用wait或者waitpid系统调用.
(2)可执行文件加载时进行了哪些处理?
注册一个可执行文件的加载模块(包含信息:
链表list,所属的module,加载可执行文件,加载共享库),然后遍历链表,依次按module加载这个可执行文件
(3)当首次调用新创建进程时,其入口在哪里?
在进程队列的ready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。
(4)进程通信有什么特点?
(针对管道通信)
只支持单向数据流;
只能用于具有亲缘关系的进程之间;
没有名字;
管道的缓冲区是有限的(管道制存在于内存中,在管道创建时,为缓冲区分配一个页面大小);
管道所传送的是无格式字节流,这就要求管道的读出方和写入方必须事先约定好数据的格式,比如多少字节算作一个消息(或命令、或记录)等等;
总结
通过这次实验,让我对操作系统进程这一章的内容有了更深入的理解。
此次实验有四部分组成。
第一部分的重点是进程创建。
在linx操作系统中,进程的创建需要调用fork函数。
此函数调用一次,返回两次。
第二部分的重点进程互斥。
所谓的进程互斥,是指两个或两个以上的进程,不能同时进入关于同一组共享变量的临界区域。
通过编程,能更加理解这个概念。
进程互斥通过lockf()来实现。
第三部分的重点是通过kill()函数和signal()函数深入理解进程的之间的软中断。
前者是发送软中断信号,后者是接收软中断信号。
第四部分的重点是通过pipe()函数理解进程之间的管道通信。
此次实验,还让我学到了一些调试方法。
其中一个就是strace,即追查程序中的函数调用。
在管道通信中,fork()和pipe()这个函数的顺序不能随意调换。
调换了之后引起的问题(程序一直不退出)可以用strace命令来追查,发现是父进程block在read()上面,即父进程不知道从哪里读取信息。
进而再通过查阅资料可知,是fork()和pipe()函数的顺序问题。