操作系統(tǒng)實驗_實驗1

1、廣州大學學生實驗報告開課學院及實驗室：計算機科學與工程實驗室 2015年11月10日實驗課程名稱操作系統(tǒng)實驗成績實驗項目名稱進程管理與進程通信指導老師(*報告只能為文字和圖片,老師評語將添加到此處,學生請勿作答*)1、 實驗目的1.1、掌握進程的概念，明確進程的含義1.2、認識并了解并發(fā)執(zhí)行的實質(zhì)2.1、掌握進程另外的創(chuàng)建方法2.2、熟悉進程的睡眠、同步、撤消等進程控制方法3.1、進一步認識并發(fā)執(zhí)行的實質(zhì)3.2、分析進程競爭資源的現(xiàn)象，學習解決進程互斥的方法4.1、了解守護進程5.1、了解什么是信號5.2、INUX系統(tǒng)中進程之間軟中斷通信的基本原理6.1、了解什么是管道6.2、熟悉UNIX/L

2、INUX支持的管道通信方式7.1、了解什么是消息7.2、熟悉消息傳送的機理8.1、了解和熟悉共享存儲機制二、實驗內(nèi)容1.1、編寫一段程序，使用系統(tǒng)調(diào)用fork( )創(chuàng)建兩個子進程。當此程序運行時，在系統(tǒng)中有一個父進程和兩個子進程活動。讓每一個進程在屏幕上顯示一個字符：父進程顯示'a'，子進程分別顯示字符'b'和字符'c'。試觀察記錄屏幕上的顯示結(jié)果，并分析原因。1.2、修改上述程序，每一個進程循環(huán)顯示一句話。子進程顯示'daughter '及'son '，父進程顯示 'parent '，觀察結(jié)果，分

3、析原因。2.1、用fork( )創(chuàng)建一個進程，再調(diào)用exec( )用新的程序替換該子進程的內(nèi)容2.2、利用wait( )來控制進程執(zhí)行順序3.1、修改實驗（一）中的程序2，用lockf( )來給每一個進程加鎖，以實現(xiàn)進程之間的互斥3.2、觀察并分析出現(xiàn)的現(xiàn)象4.1、寫一個使用守護進程(daemon)的程序，來實現(xiàn)： 創(chuàng)建一個日志文件/var/log/Mydaemon.log ；每分鐘都向其中寫入一個時間戳(使用time_t的格式) ；5.1、用fork( )創(chuàng)建兩個子進程，再用系統(tǒng)調(diào)用signal( )讓父進程捕捉鍵盤上來的中斷信號（即按c鍵）；捕捉到中斷信號后，父進程用系統(tǒng)調(diào)用kill( )

4、向兩個子進程發(fā)出信號，子進程捕捉到信號后分別輸出下列信息后終止：Child process1 is killed by parent!Child process2 is killed by parent!父進程等待兩個子進程終止后，輸出如下的信息后終止：Parent process is killed!5.2、用軟中斷通信實現(xiàn)進程同步的機理6.1、編寫程序?qū)崿F(xiàn)進程的管道通信。用系統(tǒng)調(diào)用pipe( )建立一管道，二個子進程P1和P2分別向管道各寫一句話： Child 1 is sending a message! Child 2 is sending a message!父進程從管道中讀出二個來

5、自子進程的信息并顯示（要求先接收P1，后P2）。7.1、消息的創(chuàng)建、發(fā)送和接收。使用系統(tǒng)調(diào)用msgget( ),msgsnd( ),msgrev( ),及msgctl( )編制一長度為k的消息發(fā)送和接收的程序。8.1、 編制一長度為1k的共享存儲區(qū)發(fā)送和接收的程序。三、實驗原理1、 程既是一個獨立擁有資源的基本單位，又是一個獨立調(diào)度的基本單位。一個進程實體由若干個區(qū)（段）組成，包括程序區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)、棧區(qū)、共享存儲區(qū)等。每個區(qū)又分為若干頁，每個進程配置有唯一的進程控制塊PCB，用于控制和管理進程。2、 進程是進程映像的執(zhí)行過程，也就是正在執(zhí)行的進程實體。3、 fork( )返回值意義如下：0：在子

6、進程中，pid變量保存的fork( )返回值為0，表示當前進程是子進程。>0：在父進程中，pid變量保存的fork( )返回值為子進程的id值（進程唯一標識符）。4、NIX/LINUX中fork( )是一個非常有用的系統(tǒng)調(diào)用，但在UNIX/LINUX中建立進程除了fork( )之外，也可用與fork( ) 配合使用的exec( )。5、lockf(files,function,size)用作鎖定文件的某些段或者整個文件。6、每個信號都對應一個正整數(shù)常量(稱為signal number,即信號編號。定義在系統(tǒng)頭文件<signal.h>中)，代表同一用戶的諸進程之間傳送事先約定的

7、信息的類型，用于通知某進程發(fā)生了某異常事件。每個進程在運行時，都要通過信號機制來檢查是否有信號到達。若有，便中斷正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)向與該信號相對應的處理程序，以完成對該事件的處理；處理結(jié)束后再返回到原來的斷點繼續(xù)執(zhí)行。實質(zhì)上，信號機制是對中斷機制的一種模擬，故在早期的UNIX版本中又把它稱為軟中斷。7、信號的發(fā)送，是指由發(fā)送進程把信號送到指定進程的信號域的某一位上。如果目標進程正在一個可被中斷的優(yōu)先級上睡眠，核心便將它喚醒，發(fā)送進程就此結(jié)束。一個進程可能在其信號域中有多個位被置位，代表有多種類型的信號到達，但對于一類信號，進程卻只能記住其中的某一個。8、當一個進程要進入或退出一個低優(yōu)先級睡眠狀

8、態(tài)時，或一個進程即將從核心態(tài)返回用戶態(tài)時，核心都要檢查該進程是否已收到軟中斷。當進程處于核心態(tài)時，即使收到軟中斷也不予理睬；只有當它返回到用戶態(tài)后，才處理軟中斷信號。9、管道，是指能夠連接一個寫進程和一個讀進程的、并允許它們以生產(chǎn)者消費者方式進行通信的一個共享文件，又稱為pipe文件。10、消息機制允許由一個進程給其它任意的進程發(fā)送一個消息。 11、該機制可使若干進程共享主存中的某一個區(qū)域，且使該區(qū)域出現(xiàn)（映射）在多個 進程的虛地址空間中。 四、實驗設(shè)備Linux系統(tǒng)五、實驗程序1、創(chuàng)建子進程相關(guān)代碼#include <stdio.h>#include<unistd.h>

9、;int main( )int p1,p2;while(p1=fork( )=-1); /*創(chuàng)建子進程p1*/if (p1=0) putchar('b'); else while(p2=fork( )=-1); /*創(chuàng)建子進程p2*/if(p2=0) putchar('c'); else putchar('a'); 修改后：#include<stdio.h>#include<unistd.h>int main( )int p1,p2,i;while(p1=fork( )= -1); /*創(chuàng)建子進程p1*/if (p1=0)

10、 for(i=0;i<10;i+)printf("daughter %dn",i);else while(p2=fork( )= -1); /*創(chuàng)建子進程p2*/if(p2=0) for(i=0;i<10;i+) printf("son %dn",i);else for(i=0;i<10;i+) printf("parent %dn",i);2、exec,wait相關(guān)代碼 #include<stdio.h>#include<stdlib.h> #include<unistd.h>#

11、include <sys/wait.h>void main( ) int pid; pid=fork( ); /*創(chuàng)建子進程*/switch(pid) case -1: /*創(chuàng)建失敗*/ printf("fork fail!n"); exit(1); case 0: /*子進程*/ execl("/bin/ls","ls","-1","-color",NULL); printf("exec fail!n"); exit(1); default: /*父進程*/ w

12、ait(NULL); /*同步*/ printf("ls completed !n"); exit(0); 3、lockf相關(guān)代碼#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <sys/wait.h>int main( )int p1,p2,i;while(p1=fork( )=-1); /*創(chuàng)建子進程p1*/if (p1=0)lockf(1,1,0); /*加鎖，這里第一個參數(shù)為stdout（標準輸出設(shè)備的描述符）*/for(i=0;i<10;i+)printf("daugh

13、ter %dn",i);lockf(1,0,0); /*解鎖*/elsewhile(p2=fork( )=-1); /*創(chuàng)建子進程p2*/if (p2=0)lockf(1,1,0); /*加鎖*/for(i=0;i<10;i+)printf("son %dn",i);lockf(1,0,0); /*解鎖*/elselockf(1,1,0); /*加鎖*/for(i=0;i<10;i+)printf("parent %dn",i);lockf(1,0,0); /*解鎖*/4、守護神程序：#include <stdio.h>

14、#include <time.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include<sys/time.h>int main()time_t t; FILE *fp; fp=fopen("/var/log/Mydaemon.log","a");pid_t pid; pid=fork();if(pid>0)printf("Daemon on duty!n");exit(0);else if(pid<0)printf("Can&

15、#39;t fork!n");exit(-1);while(1)if(fp>=0)sleep(60); printf("Daemon on duty!n");t=time(0);fprintf(fp,"The current time is %sn",asctime(localtime(&t);fclose(fp);5、通信中斷關(guān)代碼#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include<sys/wait.h>#include <signal.h>

16、#include <unistd.h>void waiting( ),stop( );int wait_mark;int main( )int p1,p2,stdout;while(p1=fork( )=-1); /*創(chuàng)建子進程p1*/if(p1>0)while(p2=fork( )=-1); /*創(chuàng)建子進程p2*/if(p2>0)wait_mark=1;signal(SIGINT,stop); /*接收到c信號，轉(zhuǎn)stop*/waiting( );kill(p1,16); /*向p1發(fā)軟中斷信號16*/kill(p2,17); /*向p2發(fā)軟中斷信號17*/wait(

17、0); /*同步*/wait(0);printf("Parent process is killed!n");exit(0);elsewait_mark=1;signal(17,stop); /*接收到軟中斷信號17，轉(zhuǎn)stop*/waiting( );lockf(stdout,1,0);printf("Child process 2 is killed by parent!n");lockf(stdout,0,0);exit(0);elsewait_mark=1;signal(16,stop); /*接收到軟中斷信號16，轉(zhuǎn)stop*/waiting(

18、 );lockf(stdout,1,0);printf("Child process 1 is killed by parent!n");lockf(stdout,0,0);exit(0);void waiting( )while(wait_mark!=0);void stop( )wait_mark=0;6、管道相關(guān)代碼：#include <unistd.h>#include <signal.h>#include <stdio.h>#include<stdlib.h> #include<sys/wait.h> i

19、nt pid1,pid2;int main( ) int fd2;char outpipe100,inpipe100;pipe(fd); /*創(chuàng)建一個管道*/while (pid1=fork( )=-1);if(pid1=0)lockf(fd1,1,0);sprintf(outpipe,"child 1 process is sending message!"); /*把串放入數(shù)組outpipe中*/write(fd1,outpipe,50); /*向管道寫長為50字節(jié)的串*/sleep(5); /*自我阻塞5秒*/lockf(fd1,0,0);exit(0);elsewh

20、ile(pid2=fork( )=-1);if(pid2=0)lockf(fd1,1,0); /*互斥*/sprintf(outpipe,"child 2 process is sending message!");write(fd1,outpipe,50);sleep(5);lockf(fd1,0,0);exit(0);else wait(0); /*同步*/read(fd0,inpipe,50); /*從管道中讀長為50字節(jié)的串*/printf("%sn",inpipe);wait(0);read(fd0,inpipe,50);printf(&quo

21、t;%sn",inpipe);exit(0);7、消息的相關(guān)代碼：lient.c#include<sys/types.h>#include<stdio.h>#include<sys/msg.h>#include<sys/ipc.h>#include<stdlib.h> #define MSGKEY 75struct msgform long mtype;char mtext1000;msg;int msgqid;void client()int i;msgqid=msgget(MSGKEY,0777);for(i=10;i&

22、gt;=1;i-)msg.mtype=i;printf("(client)sentn");msgsnd(msgqid,&msg,1024,0); exit(0);int main( ) client( );server.c#include<sys/types.h>#include<sys/msg.h>#include<sys/ipc.h>#include<stdio.h>#include<stdlib.h> #define MSGKEY 75struct msgform long mtype;char mt

23、ext1000;msg;int msgqid;void server( )msgqid=msgget(MSGKEY,0777|IPC_CREAT); /*創(chuàng)建75#消息隊列*/do msgrcv(msgqid,&msg,1030,0,0); /*接收消息*/printf("(server)receivedn");while(msg.mtype!=1);msgctl(msgqid,IPC_RMID,0); /*刪除消息隊列，歸還資源*/exit(0);int main( ) server( );8、共享存儲機制的相關(guān)代碼#include<sys/types.h&

24、gt;#include<sys/shm.h>#include<sys/ipc.h>#include<unistd.h> #include<stdlib.h> #include<stdio.h>#include<sys/wait.h> #include<signal.h> #define SHMKEY 75#define SHMSZ 128int shmid,i;int *addr;void client( ) int i;shmid=shmget(SHMKEY,1024,0777); /*打開共享存儲區(qū)*/ad

25、dr=shmat(shmid,0,0); /*獲得共享存儲區(qū)首地址*/for (i=9;i>=0;i-) while (*addr!=-1);printf("(client) sentn");*addr=i;exit(0);void server( )shmid=shmget(SHMKEY,1024,0777|IPC_CREAT); /*創(chuàng)建共享存儲區(qū)*/addr=shmat(shmid,0,0); /*獲取首地址*/do *addr=-1;while (*addr=-1);printf("(server) receivedn");while (*

26、addr);shmctl(shmid,IPC_RMID,0); /*撤消共享存儲區(qū)，歸還資源*/exit(0);int main( )while(i=fork( )=-1);if(!i) server( );system("ipcs -m");while(i=fork( )=-1);if(!i) client( );wait(0);wait(0);六、實驗結(jié)果實驗1.1本來從進程并發(fā)執(zhí)行來看，各種情況都有可能。上面的三個進程沒有同步措施，父進程與子進程的輸出內(nèi)容會疊加在一起。輸出次序帶有隨機性。實驗1.2由實驗1.1可知各種情況都有可能由于函數(shù)，而且printf( )在輸出

27、字符串時不會被中斷，因此，字符串內(nèi)部字符順序輸出不變。但由于進程并發(fā)執(zhí)行的調(diào)度順序和父子進程搶占處理機問題，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。實驗2.12.2程序在調(diào)用fork( )建立一個子進程后，馬上調(diào)用wait( )，使父進程在子進程結(jié)束之前，一直處于睡眠狀態(tài)。子進程用exec( )裝入命令ls ，exec( )后，子進程的代碼被ls的代碼取代，這時子進程的PC指向ls的第1條語句，開始執(zhí)行l(wèi)s的命令代碼。wait( )給我們提供了一種實現(xiàn)進程同步的簡單方法。實驗3.13.2加鎖和沒加鎖還是有區(qū)別的。沒加鎖，子進程的for循環(huán)會被“打斷”，也就是說

28、，10個daughter和10個son會互相穿插。而加鎖以后，盡管10個son和10個daughter會或先或后出現(xiàn)，但是不會互相穿插，以10個10個這樣的完整形式輸出。這是因為加鎖以后，屏幕輸出要等解鎖指令發(fā)出后，才會讓第二個進程執(zhí)行輸出，在第一個進程沒有解鎖前，其余進程不能輸出。實驗4.1終端：日志：fprintf(fp,"The current time is %sn",asctime(localtime(&t)只是把當前時間輸入到緩沖區(qū)，并沒有寫到Mydaemon.log文件里面，所以并不會輸出時間。唯有在fprintf最后寫上fflush（fp）才能強制輸

29、出時間戳到Mydaemon.log文件里面。實驗5.15.2屏幕上無反應，按下C后，顯示 Parent process is killed!上述程序中，signal( )都放在一段程序的前面部位，而不是在其他接收信號處。這是因為signal( )的執(zhí)行只是為進程指定信號值16或17的作用，以及分配相應的與stop( )過程鏈接的指針。因而，signal( )函數(shù)必須在程序前面部分執(zhí)行。實驗6.1延遲5秒后顯示：child 1 process is sending message!再延遲5秒：child 2 process is sending message!實驗7.1應當是每當client發(fā)

30、送一個消息后，server接收該消息，client再發(fā)送下一條。也就是說“(client)sent”和 “(server)received”的字樣應該在屏幕上交替出現(xiàn)。實際的結(jié)果大多是，先由client發(fā)送了兩條消息，然后server接收一條消息。此后client 、server交替發(fā)送和接收消息。最后server一次接收兩條消息。client 和server 分別發(fā)送和接收了10條消息，與預期設(shè)想一致。實驗8.1在運行過程中，發(fā)現(xiàn)每當client發(fā)送一次數(shù)據(jù)后，server要等待大約0.1秒才有響應。同樣，之后client又需要等待大約0.1秒才發(fā)送下一個數(shù)據(jù)。七、問題回答分析（1.1）系統(tǒng)

31、是怎樣創(chuàng)建進程的？答：系統(tǒng)通過fork（）系統(tǒng)調(diào)用來創(chuàng)建父進程對應的子進程，創(chuàng)建成功將返回一個值“0”給子進程，父進程會被返回子進程的id值（大于0），若創(chuàng)建失敗返回“-1”。（1.2）當首次調(diào)用新創(chuàng)建進程時，其入口在哪里？答：入口就是fork（）返回給創(chuàng)建的子進程的pid值。（2.1）可執(zhí)行文件加載時進行了哪些處理？答：獲得目錄下所有文件的信息，然后把目錄倒序，再加載到子進程中。（2.2）什么是進程同步？wait( )是如何實現(xiàn)進程同步的？答：進程同步就是不同進程按照一定的順序先后執(zhí)行，而不是沒有順序的或先或后執(zhí)行。Wait（）是要等待子進程中exit（）返回正常軟中斷的信號時才結(jié)束等待，執(zhí)

32、行父進程wait（）后面的代碼。Wait和exit是配合使用的，在進程的同步上面，一般wait放在父進程中用來等待子進程的exit返回值。(3)無習題。答：略。(4)無習題。答：略。（5.1）該程序段前面部分用了兩個wait(0)，它們起什么作用？答：等待兩個子進程exit（）的返回值再繼續(xù)執(zhí)行下面代碼。（5.2） 該程序段中每個進程退出時都用了語句exit(0)，為什么？答：子進程正常退出時，返回值給wait（），再執(zhí)行父進程。（5.3） 為何預期的結(jié)果并未顯示出？ 答：由于父子進程都同時接收到c中斷信號，所以兩個子進程在創(chuàng)建之后，signal就得到中斷信號，子進程正常中止，并沒有執(zhí)行sig

33、nal之后的代碼，返回正常中止的信號給wait（0），父進程得到子進程正常中止的信號后就執(zhí)行后面的代碼，輸出“Parent process is killed!”。（5.4） 程序該如何修改才能得到正確結(jié)果？答：在終端發(fā)送指令給父進程，或著更換成如下代碼：#include<stdio.h>#include<signal.h> #include<unistd.h> #include<stdlib.h> #include<sys/wait.h> void waiting( ),stop( ),nye( ); int wait_mark; int main( ) int p1,p2,stdout; while(p1=fork( )=-1); if (p1>0) while(p2=fork( )=-1); if(p2>0) wait_mark=1; signal(SIGINT