實(shí)驗(yàn)一——Linux環(huán)境下的進(jìn)程管理

1、軟 件 學(xué) 院上 機(jī) 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告課程名稱： 操作系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目： 實(shí)驗(yàn)一：Linux環(huán)境下進(jìn)程管理 實(shí) 驗(yàn) 室： 耘慧402 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 專業(yè)班級(jí)： 實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)閱教師一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙?. 加深對(duì)進(jìn)程概念的理解，明確進(jìn)程和程序的區(qū)別；2. 進(jìn)一步認(rèn)識(shí)并發(fā)執(zhí)行的實(shí)質(zhì)；3. 分析進(jìn)程爭(zhēng)用資源的現(xiàn)象，學(xué)習(xí)解決進(jìn)程互斥的方法；4. 了解Linux系統(tǒng)中進(jìn)程通信的基本原理；二、 實(shí)驗(yàn)性質(zhì) 1. 進(jìn)程的創(chuàng)建:編寫一段程序，使用系統(tǒng)調(diào)用fork（）創(chuàng)建兩個(gè)子進(jìn)程。當(dāng)此程序運(yùn)行時(shí)，在系統(tǒng)中有一個(gè)父進(jìn)程和兩個(gè)子進(jìn)程活動(dòng)。讓每一個(gè)進(jìn)程在屏幕上顯示一個(gè)字符：父進(jìn)程顯示字符“a”；子進(jìn)程分別

2、顯示字符“b”和字符“c”。試觀察記錄屏幕上的顯示結(jié)果，并分析原因。 2. 進(jìn)程的控制:修改已編寫的程序，將每個(gè)進(jìn)程輸出一個(gè)字符改為每個(gè)進(jìn)程輸出一句話，再觀察程序執(zhí)行時(shí)屏幕上出現(xiàn)的現(xiàn)象，并分析原因。如果在程序中使用系統(tǒng)調(diào)用lockf（）來(lái)給每一個(gè)進(jìn)程加鎖，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的互斥，觀察并分析出現(xiàn)的現(xiàn)象。 3. 用fork( )創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，再調(diào)用exec( )用新的程序替換該子進(jìn)程的內(nèi)容；利用wait( )來(lái)控制進(jìn)程執(zhí)行順序。三、 實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí) 實(shí)驗(yàn)性質(zhì)： 驗(yàn)證性 實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)： 4學(xué)時(shí) 實(shí)驗(yàn)要求： 必做四、 實(shí)驗(yàn)環(huán)境 1.實(shí)驗(yàn)環(huán)境： Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境 2.知識(shí)準(zhǔn)備：（1） Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境

3、搭建；（2） Linux環(huán)境下GCC編譯器的使用；（3）語(yǔ)言中函數(shù)定義與調(diào)用、指針和類型的定義與使用、結(jié)構(gòu)的定義、動(dòng)態(tài)內(nèi)存的申請(qǐng)等預(yù)備知識(shí)。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（1）進(jìn)程的創(chuàng)建編寫一段程序，使用系統(tǒng)調(diào)用fork（）創(chuàng)建兩個(gè)子進(jìn)程。當(dāng)此程序運(yùn)行時(shí)，在系統(tǒng)中有一個(gè)父進(jìn)程和兩個(gè)子進(jìn)程活動(dòng)。讓每一個(gè)進(jìn)程在屏幕上顯示一個(gè)字符：父進(jìn)程顯示字符“a”；子進(jìn)程分別顯示字符“b”和字符“c”。試觀察記錄屏幕上的顯示結(jié)果，并分析原因。（2）進(jìn)程的控制修改已編寫的程序，將每個(gè)進(jìn)程輸出一個(gè)字符改為每個(gè)進(jìn)程輸出一句話，再觀察程序執(zhí)行時(shí)屏幕上出現(xiàn)的現(xiàn)象，并分析原因。如果在程序中使用系統(tǒng)調(diào)用lockf（）來(lái)給每一

4、個(gè)進(jìn)程加鎖，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的互斥，觀察并分析出現(xiàn)的現(xiàn)象。（3） 用fork( )創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，再調(diào)用exec( )用新的程序替換該子進(jìn)程的內(nèi)容；利用wait( )來(lái)控制進(jìn)程執(zhí)行順序。 實(shí)驗(yàn)步驟： 1.進(jìn)程的創(chuàng)建1.1 進(jìn)程UNIX中，進(jìn)程既是一個(gè)獨(dú)立擁有資源的基本單位，又是一個(gè)獨(dú)立調(diào)度的基本單位。一個(gè)進(jìn)程實(shí)體由若干個(gè)區(qū)（段）組成，包括程序區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)、棧區(qū)、共享存儲(chǔ)區(qū)等。每個(gè)區(qū)又分為若干頁(yè)，每個(gè)進(jìn)程配置有唯一的進(jìn)程控制塊PCB，用于控制和管理進(jìn)程。PCB的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：（1）進(jìn)程表項(xiàng)（Process Table Entry）。包括一些最常用的核心數(shù)據(jù)：進(jìn)程標(biāo)識(shí)符PID、用戶

5、標(biāo)識(shí)符UID、進(jìn)程狀態(tài)、事件描述符、進(jìn)程和U區(qū)在內(nèi)存或外存的地址、軟中斷信號(hào)、計(jì)時(shí)域、進(jìn)程的大小、偏置值nice、指向就緒隊(duì)列中下一個(gè)PCB的指針P_Link、指向U區(qū)進(jìn)程正文、數(shù)據(jù)及棧在內(nèi)存區(qū)域的指針。（2）U區(qū)（U Area）。用于存放進(jìn)程表項(xiàng)的一些擴(kuò)充信息。每一個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)私用的U區(qū)，其中含有：進(jìn)程表項(xiàng)指針、真正用戶標(biāo)識(shí)符u-ruid(read user ID)、有效用戶標(biāo)識(shí)符u-euid(effective user ID)、用戶文件描述符表、計(jì)時(shí)器、內(nèi)部I/O參數(shù)、限制字段、差錯(cuò)字段、返回值、信號(hào)處理數(shù)組。由于UNIX系統(tǒng)采用段頁(yè)式存儲(chǔ)管理，

6、為了把段的起始虛地址變換為段在系統(tǒng)中的物理地址，便于實(shí)現(xiàn)區(qū)的共享，所以還有：（3）系統(tǒng)區(qū)表項(xiàng)。以存放各個(gè)段在物理存儲(chǔ)器中的位置等信息。系統(tǒng)把一個(gè)進(jìn)程的虛地址空間劃分為若干個(gè)連續(xù)的邏輯區(qū)，有正文區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)、棧區(qū)等。這些區(qū)是可被共享和保護(hù)的獨(dú)立實(shí)體，多個(gè)進(jìn)程可共享一個(gè)區(qū)。為了對(duì)區(qū)進(jìn)行管理，核心中設(shè)置一個(gè)系統(tǒng)區(qū)表，各表項(xiàng)中記錄了以下有關(guān)描述活動(dòng)區(qū)的信息：區(qū)的類型和大小、區(qū)的狀態(tài)、區(qū)在物理存儲(chǔ)器中的位置、引用計(jì)數(shù)、指向文件索引結(jié)點(diǎn)的指針。（4）進(jìn)程區(qū)表系統(tǒng)為每個(gè)進(jìn)程配置了一張進(jìn)程區(qū)表。表中，每一項(xiàng)記錄一個(gè)區(qū)的起始虛地址及指向系統(tǒng)區(qū)表中對(duì)應(yīng)的區(qū)表項(xiàng)。核心通過(guò)查找進(jìn)程區(qū)表和系統(tǒng)區(qū)表，便可將區(qū)的邏輯地址變換

7、為物理地址。1.2 進(jìn)程映像UNIX系統(tǒng)中，進(jìn)程是進(jìn)程映像的執(zhí)行過(guò)程，也就是正在執(zhí)行的進(jìn)程實(shí)體。它由三部分組成：（1）用戶級(jí)上、下文。主要成分是用戶程序；（2）寄存器上、下文。由CPU中的一些寄存器的內(nèi)容組成，如PC，PSW，SP及通用寄存器等；（3）系統(tǒng)級(jí)上、下文。包括OS為管理進(jìn)程所用的信息，有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)之分。1.3 所涉及的系統(tǒng)調(diào)用fork( )   創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程。系統(tǒng)調(diào)用格式：pid=fork( )參數(shù)定義：int fork( )fork( )返回值意義如下：0：在子進(jìn)程中，pid變量保存的fork( )

8、返回值為0，表示當(dāng)前進(jìn)程是子進(jìn)程。>0：在父進(jìn)程中，pid變量保存的fork( )返回值為子進(jìn)程的id值（進(jìn)程唯一標(biāo)識(shí)符）。-1：創(chuàng)建失敗。如果fork( )調(diào)用成功，它向父進(jìn)程返回子進(jìn)程的PID，并向子進(jìn)程返回0，即fork( )被調(diào)用了一次，但返回了兩次。此時(shí)OS在內(nèi)存中建立一個(gè)新進(jìn)程，所建的新進(jìn)程是調(diào)用fork( )父進(jìn)程（parent process）的副本，稱為子進(jìn)程（child process）。子進(jìn)程繼承了父進(jìn)程的許多特性，并具有與父進(jìn)程完全相同的用戶級(jí)上下文。父進(jìn)程與子進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行。1.4 核心為fork( )完成以下操作（1）為新進(jìn)程分配一進(jìn)程表項(xiàng)和進(jìn)程標(biāo)識(shí)符

9、進(jìn)入fork( )后，核心檢查系統(tǒng)是否有足夠的資源來(lái)建立一個(gè)新進(jìn)程。若資源不足，則fork( )系統(tǒng)調(diào)用失??；否則，核心為新進(jìn)程分配一進(jìn)程表項(xiàng)和唯一的進(jìn)程標(biāo)識(shí)符。（2）檢查同時(shí)運(yùn)行的進(jìn)程數(shù)目超過(guò)預(yù)先規(guī)定的最大數(shù)目時(shí)，fork( )系統(tǒng)調(diào)用失敗。（3）拷貝進(jìn)程表項(xiàng)中的數(shù)據(jù)將父進(jìn)程的當(dāng)前目錄和所有已打開(kāi)的數(shù)據(jù)拷貝到子進(jìn)程表項(xiàng)中，并置進(jìn)程的狀態(tài)為“創(chuàng)建”狀態(tài)。（4）子進(jìn)程繼承父進(jìn)程的所有文件對(duì)父進(jìn)程當(dāng)前目錄和所有已打開(kāi)的文件表項(xiàng)中的引用計(jì)數(shù)加1。（5）為子進(jìn)程創(chuàng)建進(jìn)程上、下文進(jìn)程創(chuàng)建結(jié)束，設(shè)子進(jìn)程狀態(tài)為“內(nèi)存中就緒”并返回子進(jìn)程的標(biāo)識(shí)符。（6）子進(jìn)程執(zhí)行雖然父進(jìn)程與子進(jìn)程程序完全相同，但每個(gè)進(jìn)程都有

10、自己的程序計(jì)數(shù)器PC(注意子進(jìn)程的PC開(kāi)始位置)，然后根據(jù)pid變量保存的fork( )返回值的不同，執(zhí)行了不同的分支語(yǔ)句。6、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析<運(yùn)行結(jié)果1分析：由于函數(shù)printf()輸出的字符串之間不會(huì)被中斷，因此,每個(gè)字符串內(nèi)部的字符順序輸出時(shí)不變。但是 , 由于進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行時(shí)的調(diào)度順序和父子進(jìn)程的搶占處理機(jī)問(wèn)題，輸出字符串的順序和先后隨著執(zhí)行的不同而發(fā)生變化。這與打印單字符的結(jié)果相同。<運(yùn)行結(jié)果2 分析：因?yàn)樯鲜龀绦驁?zhí)行時(shí)，lockf(1,1,0)鎖定標(biāo)準(zhǔn)輸出設(shè)備，lockf(1,0,0)解鎖標(biāo)準(zhǔn)輸出設(shè)備，在lockf(1,1,0)與lockf(1,0,0)中

11、間的for循環(huán)輸出不會(huì)被中斷，加鎖與不加鎖效果不相同。<運(yùn)行結(jié)果3 分析：程序在調(diào)用fork( )建立一個(gè)子進(jìn)程后，馬上調(diào)用wait( )，使父進(jìn)程在子進(jìn)程結(jié)束之前，一直處于睡眠狀態(tài)。子進(jìn)程用exec( )裝入命令ls ，exec( )后，子進(jìn)程的代碼被ls的代碼取代，這時(shí)子進(jìn)程的PC指向ls的第1條語(yǔ)句，開(kāi)始執(zhí)行l(wèi)s的命令代碼。7、 實(shí)驗(yàn)總結(jié) 經(jīng)過(guò)這次上機(jī)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，我們一共做了三道題，碰到的第一問(wèn)題是Linux系統(tǒng)并非我們通常使用的Windows系統(tǒng)，還未上手便已產(chǎn)生畏懼的心理；碰到的第二個(gè)問(wèn)題，在剛開(kāi)始搭建環(huán)境的時(shí)候，.后面的的并非手打而是按Tab鍵引出之后的代碼，之后陸陸續(xù)續(xù)的一

12、些小問(wèn)題，在老師、學(xué)長(zhǎng)耐心的幫助下相對(duì)輕松地解決了，相比在課堂上老師的講解與課件的演示，最大的不同是我更加的直觀且真實(shí)觸摸到了這一學(xué)科，在實(shí)踐的過(guò)程中明白了當(dāng)時(shí)邏輯并不清晰的抽象問(wèn)題什么是進(jìn)程，我想在實(shí)踐的過(guò)程中我會(huì)更加熱愛(ài)這個(gè)學(xué)科并受益匪淺。附錄 源程序清單程序1#include<stdio.h>void main()int p1,p2;while(p1=fork()=-1);if(p1=0)putchar('b');elsewhile(p2=fork()=-1);if(p2=0)putchar('c');else putchar('a&#

13、39;);<程序2#include<stdio.h>#include<unistd.h>main()int p1,p2,i;while(p1=fork()=-1);if(p1=0)lockf(1,1,0);for(i=0;i<50;i+)printf("child %d/n",i);lockf(1,0,0);elsewhile(p2=fork()=-1);if(p2=0)lockf(1,1,0);for(i=0;i<50;i+)printf("son %d/n",i);lockf(1,0,0);elselockf(1,1,0);for(i=0;i<50;i+)printf("daughter %d/n",i);lockf(1,0,0);程序3#include<stdio.h>#include<unistd.h>main( ) int pid; pid=fork( ); /*創(chuàng)建子進(jìn)程*/switch(pid) case -1:/*創(chuàng)建失敗*/printf("fork fail!n");exit(1);