信号机制实现最新操作系统原理课程设计.docx
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信号机制实现最新操作系统原理课程设计
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实践教学
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兰州理工大学
计算机与通信学院
2007年秋季学期
操作系统原理课程设计
题目：
信号机制实现
专业班级：
计通基地班
姓名：
学号：
指导教师：
成绩：
_______________
摘要
操作系统被建立在用户和系统硬件之间，接受用户命令，从而组织硬件完成相应功能，以满足用户要求。
进程是操作系统上程序的执行过程。
程序通过进程得以执行。
然而，程序并不是孤立的，复杂的问题，可以使用不同程序去解决，即不同的进程去协作完成。
由此产生了进程通信的概念。
信号机制作为进程通信的一个基本方法，在进程通信中占有重要地位。
虽然其机制有些陈旧，但在操作系统中仍然起着不可替代的作用,又被称为软中断.
在本程序中，父进程创建两个子进程，再用kill（）向两个子进发出中断信号，子进程P1和P2接到信号后，用exit（0）函数正常终止自我进程（向父进程发SIGINT信号）。
父进程的wait（）函数收到子进程的SIGINT信号后，对子进程作适当处理后（资源回收）后返回本进程。
因为父进程有两个子进程，所以需要两个wait（）函数来等待子进程的结束。
关键字
信号，软中断，父进程，子进程，stop（），waiting（），fork（），signal（），exit（）
前言
1.信号的基本概念
每个信号都对应一个正整数常量（称为signalnumber，即信号编号。
定义在系统头文件中），代表同一用户的诸进程之间传送事先约定的信息的类型，用于通知某进程发生了某异常事件。
每个进程在运行时都要通过信号机制来检查是否有信号到达。
若有，便中断正在执行的程序，转向与该信号相对应的处理程序，以完成对该事件的处理；处理结束后再返回到原来的断点继续执行。
实质上，信号机制是对中断机制的一种模拟，故在早期的UNIX版本中又把它称为软中断。
信号与中断的相似点：
（1）采用了相同的异步通信方式；
（2）当检测出有信号或中断请求时，都暂停正在执行的程序而转去执行相应的处理程序；
（3）都在处理完毕后返回到原来的断点；
（4）对信号或中断都可进行屏蔽。
信号与中断的区别：
（1）中断有优先级，而信号没有优先级，所有的信号都是平等的；
（2）信号处理程序是在用户态下运行的，而中断处理程序是在核心态下运行；（3）中断响应是及时的，而信号响应通常都有较大的时间延迟。
信号机制具有以下三方面的功能：
（1）发送信号的程序用系统调用kill（）实现；
（2）接收信号的程序用signal（）来实现对处理方式的预置；
（3）收受信号的进程按事先的规定完成对相应事件的处理。
2．信号的发送
信号的发送，是指由发送进程把信号送到指定进程的信号域的某一位上。
如果目标进程正在一个可被中断的优先级上睡眠，核心便将它唤醒，发送进程就此结束。
一个进程可能在其信号域中有多个位被置位，代表有多种类型的信号到达，但对于一类信号，进程却只能记住其中的某一个。
进程用kill（）向一个进程或一组进程发送一个信号。
在本程序中，使用16SIGUSR1用户自定义信号1和17SIGUSR2用户自定义信号2分别向子进程1、2发送信号。
即kill（p1,16）和kill（p2,17）。
3．对信号的处理
当一个进程要进入或退出一个低优先级睡眠状态时，或一个进程即将从核心态返回用户态时，核心都要检查该进程是否已收到软中断。
当进程处于核心态时，即使收到软中断也不予理睬；只有当它返回到用户态后，才处理软中断信号。
对软中断信号的处理分三种情况进行：
（1）如果进程收到的软中断是一个已决定要忽略的信号（function=1），进程不做任何处理便立即返回；
（2）进程收到软中断后便退出（function=0）;
（3）执行用户设置的软中断处理程序。
正文
1.设计思想
学生通过该题目的设计过程，可以掌握信号的发送与接收的原理、软件开发方法并提高解决实际问题的能力。
使用系统调用kill（）,wait（）,signal（）,及fork（）编制一个通过信号完成进程通信，在接受信号后进程完成相应功能的程序。
<程序设计>
（1）为了便于操作和观察结果,用一个程序作为“引子”,先后fork（）两个子进程,使用信号”SIGINT”进行通信。
（2）程序运行产生父进程使用signal（）捕捉信号Ctrl+C（即^C）然后用kill（）向子进程发送SIGINT并使用wait（）等待子进程结束，然后打印“parentkilled“并退出。
（3）fork（）建立两个子进程,等待其父进程发来的消息。
当遇到SIGINT信号时,则作为结束信号,子进程打印:
“childprocess1killedbyparent"
并结束退出。
涉及的系统调用:
1. kill（）
向指定进程发送信号。
2. signal（）
捕捉信号并在捕捉到相应信号后调用函数。
3.wait（）
中断进程执行，等待子进程结束停止等待继续进程的执行。
4.fork（ ）
创建进程的系统调用。
2.算法用到的主要数据结构（采用类c语言定义）
1、kill（）系统调用格式
intkill（pid,sig）
参数定义
intpid,sig;
其中，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。
（1）pid>0时，核心将信号发送给进程pid。
（2）pid=0时，核心将信号发送给与发送进程同组的所有进程。
（3）pid=-1时，核心将信号像广播般传送给系统内所有进程。
2、signal（）
预置对信号的处理方式，允许调用进程控制软中断信号。
系统调用格式
signal（sig,function）
头文件为#include
参数定义
signal（sig,function）
intsig;
void（*function）（）
函数说明：
signal（）会依参数sig指定的信号编号来设置该信号的处理函数。
当指定信号到达时就会跳转到参数function指定的函数执行。
如果参数function不是函数指针，则必须是下列两个常数之一：
SIG_IGN忽略参数sig指定的信号
SIG_DFL将参数sig指定的信号重设为核心预设的信号处理方式。
其中sig用于指定信号的类型，sig为0则表示没有收到任何信号，其中SIGINT（值是02）表示中断，当用户从键盘按^c键或^break键时，则会产生此信号。
function：
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SIGKILL，SIGTRAP和SIGPWR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_DFL，一个进程不能捕获SIGKILL信号。
function的解释如下：
（1）function=1时，进程对sig类信号不予理睬，亦即屏蔽了该类信号；
（2）function=0时，缺省值，进程在收到sig信号后应终止自己；
（3）function为非0，非1类整数时，function的值即作为信号处理程序的指针。
3、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：
（1）首先查找调用进程是否有子进程，若无，则返回出错码；
（2）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；
（3）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。
4、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，UNIX/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：
（1）关闭软中断
（2）回收资源
（3）写记帐信息
（4）置进程为“僵死状态”
5、lockf（）用作锁定文件的某些段或整个文件。
系统调用格式：
intlockf（feles,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。
6、fork（）函数用于创建一个新进程（子进程）。
其调用格式为：
Intfork（）;
其中返回int取值意义如下：
正确返回：
等于0，创建子进程，从子进程返回ID值。
错误返回：
等于-1，创建失败。
3.相关的各模块的伪码算法
1）创建子进程1和2并它们接受软中断信号
main（）
{
intp1,p2;
if（p1=fork（））/*创建子进程p1*/
{
if（p2=fork（））/*创建子进程p2*/
{
wait_mark=1;
signal（SIGINT,stop）;/*接收到^c信号，转stop*/
waiting（）;
kill（p1,02）;/*向p1发软中断信号02*/
kill（p2,02）;/*向p2发软中断信号02*/
wait（0）;/*等待子进程1结束的信号*/
wait（0）;/*等待子进程2结束的信号*/
printf（"parentprocessiskilled!
\n"）;
exit（0）;/*父进程结束*/
}
else
{
wait_mark=1;
signal（SIGINT,stop）;/*等待进程2被杀死的中断号02*/
waiting（）;
lockf（1,0,0）;
printf（"childprocess2iskilledbyparent!
\n"）;
lockf（1,0,0）;
exit（0）;
}
}
else
{
wait_mark=1;
signal（SIGINT,stop）;/*等待进程1被杀死的中断号02*/
waiting（）;
lockf（1,0,0）;
printf（"childprocess1iskilledbyparent!
\n"）;
lockf（1,0,0）;
exit（0）;
}
}
2）定义waiting（）函数
voidwaiting（）
{
while（wait_matk!
=0）;
}
3）定义stop（）函数
voidstop（）
{
while（wait_mark=0）;
}
4.调试分析和测试结果
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!
parentprocessiskilled!
5、源程序（带注释）：
4.#include
5.#include
6.#include
7.#include
8.intwaite;
9.voidstop（）
10.{
11.waite=0;
12.}
13.staticvoidwaiting（）
14.{
15.while（waite==1）;
16.}
17.main（）
18.{
19.intp1,p2;
20.while（（p1=fork（））==-1）;/*创建子进程p1*/
21.if（p1>0）
22.{
23.printf（"Child1iscreate!
\n"）;
24.while（（p2=fork（））==-1）;/*创建子进程p2*/
25.if（p2>0）
26.{
27.printf（"Child2iscreate!
\n"）;
28.printf（"Pleasepress'ctrl+C'\n"）;
29.waite=1;
30.signal（SIGINT,stop）;/*接收到^c信号转stop*/
31.waiting（）;
32.kill（p1,16）;/*向p1发软中断信号16*/
33.kill（p2,17）;/*向p2发软中断信号17*/
34.wait（0）;/*同步*/
35.wait（0）;/*同步*/
36.printf（"\nParentprocessiskilled!
\n"）;
37.exit（0）;
38.}
39.else
40.{
41.waite=1;
42.signal（SIGINT,stop）;
43.waiting（）;
44.printf（"\nChildprocess2iskilledbyparent!
\n"）;
45.exit（0）;
46.}
47.}
48.else
49.{
50.waite=1;
51.signal（SIGINT,stop）;
52.waiting（）;
53.printf（"\nChildprocess1iskilledbyparent!
\n"）;
54.exit（0）;
55.}
56.}
总结
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.
在这两周的操作系统课程设计中,我感受很深，使我明白只有彻底掌握知识才能把理论和知识牢固结合起来。
由于以前没有接触过UNIX/LINUX，也不知道如何使用vi编辑器，所以在调程序的时候翻阅了大量的资料。
虽然很辛苦，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
另外，我还体会到深刻理解操作系统的重要性。
只有真正了解信号机制的原理，才能编好这次的文件系统实验。
参考文献
1.汤子瀛，哲凤屏.《计算机操作系统》.西安电子科技大学学出版社.
2.王清，李光明.《计算机操作系统》.冶金工业出版社.
3.孙钟秀等.操作系统教程.高等教育出版社
4.曾明. Linux操作系统应用教程.陕西科学技术出版社.
5.张丽芬，刘利雄.《操作系统实验教程》.清华大学出版社.
6.孟静， 操作系统教程－－原理和实例分析.高等教育出版社
7.周长林，计算机操作系统教程.高等教育出版社
8.张尧学，计算机操作系统教程，清华大学出版社
9.任满杰，操作系统原理实用教程，电子工业出版社
10.王旭阳操作系统原理,国防工业出版社
致谢
这次课程设计培养了我耐心、慎密、全面地考虑问题的能力，从而加快了问题解决的速度、提高了个人的工作效率，以及锻炼围绕问题在短时间内得以解决的顽强意志。
在编写程序的过程中，我得到了王旭阳老师的指导以及孜孜不倦的教诲，在老师的指导下，我的能力得到了提高，同时养成了科学、严谨的作风和习惯。
为此我要感谢计通学院开设了这门操作系统课程设计，为我们提供了进一步学习算法、操作系统和巩固C语言程序计设这个平台并对各位老师的精心栽培表示衷心的感谢。
同时还要感谢对同一题目进行攻关的同学们给予的帮助，没他们的帮助可能有很多问题我个人不能进行很好的解决。
在此我对他们帮助给予衷心的感谢。
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