课程名称:                操作系统                    

实验项目:           实验一:Linux环境下进程管理      

  室:                 耘慧402                   

    名:              号:      

专业班级:             实验时间:   

                   

实验成绩

评阅教师

一、 实验目的及要求

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、 实验性质

    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”和字符“c”。试观察记录屏幕上的显示结果,并分析原因。

    2. 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。

    3. fork( )创建一个进程,再调用exec( )用新的程序替换该子进程的内容;利用wait( )来控制进程执行顺序。

三、 实验学时

    实验性质:  验证性

    实验学时:  4学时

    实验要求:  必做

四、 实验环境

     1.实验环境: Linux系统开发环境

     2.知识准备:

1 Linux系统开发环境搭建;

2 Linux环境下GCC编译器的使用;

3)语言中函数定义与调用、指针和类型的定义与使用、结构的定义、动态内存的申请等预备知识。

五、实验内容及步骤

     ①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”和字符“c”。试观察记录屏幕上的显示结果,并分析原因。

2)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。

(3)fork( )创建一个进程,再调用exec( )用新的程序替换该子进程的内容;利用wait( )来控制进程执行顺序。

      ②实验步骤:

       1.进程的创建

1.1 进程

UNIX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:

1)进程表项(Process Table Entry)。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。

2U区(U Area)。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u-ruid(read user ID)、有效用户标识符u-euid(effective user ID)、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UNIX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,所以还有:

3)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。

4)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。

1.2 进程映像

UNIX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:

1)用户级上、下文。主要成分是用户程序;

2)寄存器上、下文。由CPU中的一些寄存器的内容组成,如PCPSWSP及通用寄存器等;

3)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。

1.3 所涉及的系统调用

fork( )   

创建一个新进程。

系统调用格式:

pid=fork( )

参数定义:

int fork( )

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(parent process)的副本,称为子进程(child process)。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。

1.4 核心为fork( )完成以下操作

1)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。

2)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。

3)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。

4)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

5)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。

6)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。

6、实验数据及结果分析

<运行结果1

分析:由于函数printf()输出的字符串之间不会被中断,因此,每个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。

<运行结果2

    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)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。

<运行结果3

    分析:程序在调用fork( )建立一个子进程后,马上调用wait( ),使父进程在子进程结束之前,一直处于睡眠状态。子进程用exec( )装入命令ls exec( )后,子进程的代码被ls的代码取代,这时子进程的PC指向ls的第1条语句,开始执行ls的命令代码。

7、实验总结

    经过这次上机实验的学习,我们一共做了三道题,碰到的第一问题是Linux系统并非我们通常使用的Windows系统,还未上手便已产生畏惧的心理;碰到的第二个问题,在刚开始搭建环境的时候,..后面的的并非手打而是按Tab键引出之后的代码,之后陆陆续续的一些小问题,在老师、学长耐心的帮助下相对轻松地解决了,相比在课堂上老师的讲解与课件的演示,最大的不同是我更加的直观且真实触摸到了这一学科,在实践的过程中明白了当时逻辑并不清晰的抽象问题——什么是进程,我想在实践的过程中我会更加热爱这个学科并受益匪浅。

附录 源程序清单

〈程序1

#include

void main()

{

int p1,p2;

while((p1=fork())==-1);

if(p1==0)putchar('b');

else

{

while((p2=fork())==-1);

if(p2==0)putchar('c');

else putchar('a');

}

}

<程序2

#include

#include

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);

}

else

{

while((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);

}

else

{

lockf(1,1,0);

for(i=0;i<50;i++)

printf("daughter %d/n",i);

lockf(1,0,0);

}

}

}

〈程序3

#include

#include

main( )

{      

int pid;    

pid=fork( ); /*创建子进程*/switch(pid) 

{

case  -1:/*创建失败*/

printf("fork fail!\n");

exit(1);

case  0:/*子进程*/

execl("/bin/ls","ls","-1","-color",NULL);                         

printf("exec fail!\n");                       

exit(1);               

default:/*父进程*/                       

wait(NULL);/*同步*/                       

printf("ls completed !\n");                       

exit(0);

}

}

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