1、操作系统实验二进程创建实验二进程创建实验学时：3实验类型：(验证)一、 实验目的1.理解进程概念以及进程和程序的区别；2.理解进程并发执行的实质：3.掌握解决进程同步问题的基本方法；4.培养学生分析和设计程序的能力。二、 实验条件Linux平台。三、 实验原理及相关知识1 实验相关知识点进程的基本概念；进程控制；进程同步；经典进程的同步问题。2.系统调用系统调用是一种进入系统空间的办法。通常，在OS的核心中都设置了一组用 于实现各种系统功能的子程序，并将它们提供给程序员使用。程序员在需要OS提 供某种服务的时候，便可以调用一条系统调用命令，去实现希望的功能，这就是系 统调用。因此，系统调用就像
2、一个黑箱子一样，对用户屏蔽了操作系统的具体动作 而只是提供了调用功能的接口。不同的操作系统有各自的系统调用方法。如windows API,便是windows的系 统调用。Linux的系统调用与之不同的是源于Linux内核代码完全公开，所以可以 细致的分析出其系统调用的机制。3.系统调用和普通函数的区别(1)运行于不同的系统状态用户程序可以通过系统调用进入系统空间，在 核心态执行；而普通函数则只能在用户空间当中运行。(2)通过软中断切换山于用户程序使用系统调用后要进入系统空间，所以 需要调用一个软中断：而普通函数在被调用时则没有这个过程。4.系统调用的类型系统调用的作用与它属在的操作系统有密切关
3、系。根据操作系统的性质不同，它们所提供的系统调用会有一定的差异，不过对于普通操作系统而言，应 该具有下面儿类系统调用：(1)进程控制类型；(2)文件操纵类型；(3)进程 通信类型；(4)信息维护类型。5 系统调用的实现机制由于操作系统的不同，其系统调用的实现方式可能不一样，然而实现机制 应该是大致相同的，一般包含下面儿个步骤：(1)设置系统调用号，在系统当中，往往设置多条系统调用命令，并赋予每 条系统调用命令一个唯一的系统调用号。根据分配系统调用号方式的不同分 为：直接方式和参数表方式。(2)处理系统调用操作系统中有一张系统调用入口表。表中的每个表目都对应一条系统调用 命令，它 包含有该系统调
4、用自带参数的数LI、系统调用命令处理程序的入口 地址等。操作系统内核便是根据所输入的系统调用号在该表中查找到相应的 系统调用，进而转入它的入口地址去执行它。6.Linux的系统调用机制Linux的系统调用是通过中断机制实现的。中断这个概念涉及到汁算机系统 结构方面的知识，显然它与微处理器等硬件有着密不可分的关系。中断(Interrupt),是指计算机在执行期间，系统内发生任何非寻常的或非预 期的急需处理事件，使得CPU不得不暂时中断当前正在执行的程序而转去执行 相应的事件处理程序，待处理完毕后再返回原来被中断处继续执行的过程。其 发生一般而言是“异步”的，换句话说就是在无法预测的情况下发生的(
5、比如 系统掉电)。所以计算机的软硬件对于中断的相应反应完全是被动的。软中断，是对硬中断的一种模拟，发送软中断就是向接收进程的proc结构 中的相应项发送一个特定意义的信号。软中断必须等到接收进程执行时才能生 效。陷阱(Trap),即III软件产生的中断，指处理机和内存内部产生的中断，它 包括程运算引起的各种错误，如地址非法、校验错误、页面失效等。它山专门 的指令，如X86中的“INTn”，在程序中有意的产生。所以说陷阱是主动的，同步”的。异常(Exception), 一般也是异步的，多半是由于不小心或无意造成的，比 如在进行除法操作时除数为0,就会产生一次异常。7.相关函数fork()函数用于
6、创建一个新进程(在进程)；调用格式:int foric();其中返回int值的取值意义如下：正确返回：等于0：创建子进程，从子进程返回的ID值；大于0：从父进程返回子进程的进程ID值；错误返回：等于创建失败。子进程和父进程的调度执行：子进程被创建后就进入就绪队列和父进程分别独 立地等待调度。子进程继承父进程的程序段代码，子进程被调度执行时，也会和父 进程一样从fork()返回。从共享程序段代码的角度来看，父进程和子进程所执行的 程序代码是同一个，在内存中只有一个程序段副本；但是从编程的角度来看，为了 使子进程和父进程做不同的事，需要在程序中区分父进程和子进程的代码段。这就 需要借助于从fork
7、()带回的值来标志当前进程身份。从fork()返回后，都会执行语 句：pid=fork();得到返回的值pid,有如下儿种惜况：(1)若pid小于0,则表示fork()出错，相应语句为：辻(pid 0) printf ( The parent process is running now! n): exit(0)； 山于父进程和子进程分别独立地进入就绪队列等待调度，所以谁会先得到调度 是不确定的，这与系统的调度策略和系统当前的资源状态有关。因此谁先从fork() 返回，继续执行后面的语句也是不确定的。父进程和子进程的存放及资源共享：当父进程创建子进程时，首先为子进程分配山task向量数组的指针
8、指向的 task_struct(即PCB结构)结构的内存、所需的堆栈、页表等，创建进程标识号(在 系统的进程标识号组中是唯一的)，并且将其父进程的进程标识号填入 task_struct中的家族信息中。然后将父进程的task_struct的相关内容拷贝到子进 程的task.struct中，对一些数据成员进行初始化。子进程从父进程处继承的资源包括：真实用户标识号和组标识号、有效用户标 识号和组标识号、进程组标识号、对话标识号、控制终端、根U录与当前工作U录、 设置用户标识号和设置组标识号记位、信号标识、文件描述符、文件缺省创建权 限掩码、可访问的内存区、线程、环境变量及其它资源分配。wait()函
9、数wait()函数常用来控制父进程与子进程的同步。在父进程中调用wait()函数，则 父进程被阻塞，进入等待队列，等待子进程结束。当子进程结束时，会产生一个终 止状态字，系统会向父进程发出SIGCHLD信号。当接到信号后，父进程提取子进 程的终止状态字，从wait()函数返回继续执行原程序。其调用格式为：#include #include (pid_t) wait(int * status)；正确返回：大于0：子进程的进程ID值；等于0：其它。错误返回：等于-1：调用失败。kill()函数系统调用格式int kill(pid,sig)参数定义int pid,sig;其中，pid是一个或一组进程
10、的标识符，参数sig是要发送的软中断信号。(1) pid0时，核心将信号发送给ID为pid的进程。(2)pid=O时，核心将信号发送给与发送进程同个进程组的所有进程。(3)pid=-I时，核心将信号发送给所有用户标识符真正等于发送进程的有效用 户标识号的进程。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(sigjunction)头文件为:#include 参数定义signal(sig,function)参数：int sig; void (*func)()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
11、参数function指定的函数执行。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，如下表：值名r说 明01SIGHUP挂起(hangup)当终端机察觉到终止连线操作时便会传送这个信号02SIGINT中断.为用戸从键盘按飞键或break 时，则会产生此信号03SIGQUIT退出,当用户从键盘按quit键时.如CTRL+V则会产生此信号04SIGILL非法指令(进程执行了一个不合法徳CPU指令)05SIGTRAP跟踪陷阱(trace trap),当子进程因被追踪而暂停时产生此信号给父进程06SIGIOTI0T指令07SIGBUS总线错误，BUS发生错误时会产生此信号08SIGFP
12、E浮点运算溢出09SIGKILL杀死.终止进程的信号，此信号不能被拦截或忽略10SIGUSR1用户自泄义信号111SIGSEGV段违例(segmentation violation),进程试图去访问其虚地址空间以外 的位置12SIGUSR2用户自定义信号213SIGPIPE错误的管道：欲写入无读取端的管道时产生此信号14SIGALRM闹钟。当某进程希望在某时间后接收信号时发此信号15SIGTERM软件终止(software termination)16SIGSTKFLT堆栈错误17SIGHLD子进程暂停或结束时便会产生此信号给父进程18SIGC0NT此信号会让暂停的进程继续执行19SIGSTO
13、P此信号用来让进程暂停执行，此信号不能被拦截或忽略20SIGTSTP当由键盘(CTRL+Z)表示暂停时就产生此信号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。function的解释如下：(1)function=l(SIG_IGN)W,进程对sig类信号不予理睬，亦即屏蔽了该类信号;(2)fimction=0(SIG_DFL)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。pause()函数让进程暂停(进入睡眠状态)直到被信号(signal)所中断。w
14、aitpid()函数会暂停H前进程的执行，直到有信号来到或子进程结束。exit()函数终止进程的执行。系统调用格式：void exit(status)int status;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(l)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exi
15、t()完成以下操作：(1)关闭软中断；(2)回收资源；(3)写记帐信息；置进程为“僵死状态”。四、实验步骤1.进程的创建在下面程序中，使用系统调用fork()创建一个子进程。当此程序运行时， 在系统中有一个父进程和一个子进程同步运行，在程序中分别获得父进程和子 进程的进程号【使用系统调用getpid()Linclude /Unix/Linux系统的基本系统数据类型的头文件include /UNIX系统服务的函数原型include int main()(int pid;pid=fork();if(pid=O) /子进程printf(HI am child !nN);prinlfCchild pi
16、d is %dnH.getpid(); printf(Hchild exitnM);else if(pid0) 父进程printf(MI am parent!nN);printf(nparent pid is %dn,getpid(); printf(uparent exitnM);else 创建失败printf (fork faile!n);编译上面程序，观察父进程和子进程的PID号有何关系？如何区分父进程 和子进程？ getpid获得进程号和fork创建返回的PID号有何关系？【扩展】父子进程的同步# include include #include include int main()(
17、int pid;pid=fork(); if(pid=O)printffT am child !nN);printf(Hchild pid is %dnH.getpid();sleep( 10); 子进程 sleep 10 秒轴printf(uchild exitnH);exit(O); 退岀else if(pid0)printf(nI am parent!nN);printf(Mparcnt pid is %dngetpid();wait(0); 父进程等待子进程退出printf(parent exitn*);elseprintf (Hfork faile!iiM); printf(Hpro
18、gram end!nH); -对比该段程序与上一段程序的异同？如果没有父进程中的wait(0),会出现 什么现象？使用ps-aux查看子进程的状态。如果将子进程中sleep系统调用改成 系统调用pause(),将什么结果？试实验之。【如果一个进程休眠，而没有进程 通知将导致其一直睡眠下去。】2.多进程运行的结果不可重现#include #include #include int niain()int val=5;/child 1if(fork()=0)val=val+1;printf(Mnow child 1 value is: %dn,val); exit(O);)/child 2if(fo
19、rk()=0)val=val+1;printf(now child2 value is: %dnval); exit(O);/ wait for all children to terminate while (wait(NULL) 0);printf(Mnow parent value is: %dnval); return 0;)分析并编译上述程序，观察运行结果，试考虑如何保证运行结果的正确?结合输出结果分析程序的流程。3生产者和消费者问题编制一段程序，实现经典的进程同步问题生产者和消费者问题。下面程序使用共享存储区域技术实现进程通信，其中两个子进程作为消费者，一个子进程作为生 产者。定义
20、说明：struct sembuf unsigned short sem_num; short semop;short sent Jig;；union senum int val;struct semidcls buf; unsigned short irray; struct seminfo *_huf;void *_ ad;；参考程序#include #include # include include #include include include include define MAXSEM 5声明三个信号量标识符IDint fullid:int empty id:int mutxid;
21、int main()struct sembuf P,V;定义P, V操作所使用的数据结构union semun arg; 给信号量賦初值的参数声明共享内存int *array;int *sum;int *sct;int *get;采用匿名方式映射共享内存/nunapO函数的功能，一个文件或者其它对象映射进内存，返回被映射区的指针array = (int *)mmap(NULL,sizeof( int )*5,PROT_READIPROT_WRITE.MAP_SHAREDIMAP_ANONYMOUSLO);sum = (int *)mmap(NULL,sizeof( int ),PROT_REA
22、DIPROT_WRITE.MAP_SHAREDIMAP_ANONYMOUS,-1,0);get = (int *)mmap(NULL,sizeof( int ),PROT_READIPROT_WRITE.MAP_SHAREDIMAP_ANONYMOUS,-1,0);set = (int *)mmap(NULL ,sizeof( int ),PROT_READIPROT_WRITE.MAP_SHAREDIMAP_ANONYMOUS,-1 Q);*sum = 0;*get = 0;*set = 0;生成信号集 semget(key_t key, int size, int flag)创建一个信号量
23、集，英中IPC_PRIVATE 说明只能用于父子进程通信，1为共享区的大小，00666说明可读写。fullid= semget(IPC_PRIVATE, 1 .IPC.CREATI00666); 生成只有一个信号虽:的信号集 emptyid=semget(IPC_PRIVATEJ.IPC_CREATI00666);mutxid=semget(IPC JRIV ATE, 1 JPC.CREATI00666);为信号量赋初值fullidxO； emptyid=5, mutxid=1/ semctl (int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf) 对信号量集的控
24、制arg.val = 0;if(semctl(fullid , 0, SETVAL, arg) = - I) perror(Hsemctl setval errorH);arg.val = MAXSEM;if(semctl(emptyid , 0 ,SETVAL, arg) = -1) pcrror(nsemctl setval error。;arg.val = 1;if(semctl(mutxid , 0 ,SETVAL, arg) = -l) perror(Hsetctl setval error);/*信号疑的值与相应资源的使用情况有关，当它的值大于0时，表示当前可用的资源数的 数量：当
25、它的值小于0时，其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。信号量的值仅能由 PV操作来改变*/初始化PV操作/左义信号量的V操作V.sem_num=0;o表示第一个信号V.sem_op =1;V.sem_flg=SEM_UNDO;对信号量加1操作调用进程朋溃，信号咼计数复位，防止永久占用左义看号量的P操作 P.sem_num=0; P.sem_op =-l; P.scm_flg=SEM_UNDO;对信号量进行减1操作生产者进程if(fork() = 0)int i = 0;while( i 100) semop(emptyid，&P ,1 ); 对信号Semptyid执行P操作semop(nnit
26、xid，&P , 1); 对信号Mmutxid执彳亍P操作array*(set)%MAXSEM = i + 1; printf(Producer %dn* array(*set)%MAXSEM); (*set)+;semop(mutxid , &V , 1); /对信号Mmutxid执行V 操作 semop(fullid .&V,1); 对信号虽:fullid 执行 V 操作 i+；sleep(lO); printf(MProducer is over11);exit(O);else/ConsumerA 进程if(fork()=0)while(l)semop(fullid . &P , 1);
27、semop(mutxid , &P , 1);if(*get = 100) break;sum += array (*get)%MAXSEMJ;printf(MThc ComsumerA Get Number %dnM, array(*get)%MAXSEM); (*get)+;if( *get =100) printf(MThe sum is %d n H, *sum);semop(mutxid , &V , 1);semop(emptyid , &V ,1 );sleep( 1);printf(MConsumerA is over”)；exit(O);else/Consumer B 进程i
28、f(fork()=0) while(l) semop(fullid，&P , 1); semopdnutxid，&P , 1);if(*get = 100)break;*sum += array(*get)%MAXSEM; printf(The ComsumerB Get Number %dn, array(*get)%MAXSEM); (*get)+;if( *get =100)print f(HThe sum is %d *sum);semop(mutxid , &V , 1);semop(emptyid , &V ,1);sleep(l);printf(HConsumerB is over,r);exit(O);/end/end if/ sleep(20);return 0;实验要求：结合理论讲解的生产者和消费者的处理模式，理解生产者和消费者问题的程序，运行程序分析其结果。试修改程序增加一个生产者。实验报告1列出调试通过程序的清单，分析运行结果。2给出必要的程序设计思路和方法(或列出流程图)。3总结上机调试过程中所遇到的问题和解决方法及感想。五、思考题读者和写者问题在Linux下编写程序解决读者和写者问题(参照生产者和消费者问题
