实验一进程管理.docx
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实验一进程管理
实验一进程管理
1.实验目的
⑴加深对进程概念的理解,明确进程和程序的区别;
⑵进一步认识并发执行的实质;
⑶分析进程争用资源的现象,学习解决进程互斥的方法;
⑷了解Linux系统中进程通信的基本原理。
2.实验准备
⑴阅读Linux的sched.h源码文件,加深对进程管理的理解。
⑵阅读Linux的fork.h源码文件,分析进程的创建过程。
3.实验内容
⑴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。
⑵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。
⑶软中断通信
编制一段程序实现进程的软中断通信。
要求:
使用系统调用fork()创建两个子进程,再用系统调用signal()让父进程捕捉键盘上发来的中断信号(既按Del键);当捕捉到中断信号后,父进程系统调用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!
父进程等待两个子进程终止后,输出如下的信息后终止:
Parentprocessiskilled!
在上面的程序中增加语句signal(SIGINT,SIG_IGN)和signal(SIGQUIT,SIG_IGN),观察执行结果,并分析原因。
4.实验指导
1)进程
LINUX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:
(A)进程表项(ProcessTableEntry)。
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。
(B)U区(UArea)。
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uruid(readuserID)、有效用户标识符ueuid(effectiveuserID)、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LINUX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。
(C)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。
(D)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。
2)进程映像
LINUX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:
(A)用户级上下文。
主要成分是用户程序;
(B)寄存器上下文。
由CPU中的一些寄存器的内容组成,如PC,PSW,SP及通用寄存器等;
(C)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。
3)所涉及的系统调用
(A)fork(),创建一个新进程,并复制进程,使父子进程内容几乎相同。
系统调用格式:
pid=fork()
参数定义:
intfork()
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(parentprocess)的副本,称为子进程(childprocess)。
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。
核心为fork()完成以下操作:
a)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。
b)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。
c)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。
d)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。
e)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。
f)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。
(B)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:
a)首先查找调用进程是否有子进程,若无,则返回出错码;
b)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;
c)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。
(C)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,LINUX/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:
a)关闭软中断
b)回收资源
c)写记帐信息
d)置进程为“僵死状态”
(D)lockf(files,function,size):
用作锁定文件的某些段或者整个文件,本函数适用的头文件为:
#include
参数定义:
intlockf(files,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。
(E)signal(sig,function):
允许调用进程控制软中断信号的处理。
头文件为:
#include
参数定义:
signal(sig,function);
intsig;
void(*func)();
其中:
sig的值是:
SIGHVP挂起
SIGINT键盘按^c键或break键
SIGQUIT键盘按quit键
SIGILL非法指令
SIGIOTIOT指令
SIGEMTEMT指令
SIGFPE浮点运算溢出
SIGKILL要求终止进程
SIGBUS总线错
SIGSEGV段违例
SIGSYS系统调用参数错
SIGPIPE向无读者管道上写
SIGALRM闹钟
SIGTERM软件终结
SIGUSRI用户定义信号
SIGUSR2第二个用户定义信号
SIGCLD子进程死
SIGPWR电源故障
function的解释如下:
SIG_DEL:
缺省操作。
对除SIGPWR和SIGCLD外所有信号的缺省操作是进程终结对信号SIGQUIT,SIGILL,SIGTRA,SIGIOT,SIGEMT,SIGFPE,SIGBUS,SIGSEGV和SIGSYS它产生一内存映像文件。
SIG_IGN:
忽视该信号的出现。
Function:
在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SIGILL,SIGTRAP和SIGTWR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_DEL,一个进程不能捕获SIGKILL信号。
(F)[KILL]功能描述:
用于向任何进程组或进程发送信号。
1 #include
2
3 #include
4
5 int kill(pid_t pid, int sig);
参数:
pid:
可能选择有以下四种
1.pid大于零时,pid是信号欲送往的进程的标识。
2.pid等于零时,信号将送往所有与调用kill()的那个进程属同一个使用组的进程。
3.pid等于-1时,信号将送往所有调用进程有权给其发送信号的进程,除了进程1(init)。
4.pid小于-1时,信号将送往以-pid为组标识的进程。
sig:
准备发送的信号代码,假如其值为零则没有任何信号送出,但是系统会执行错误检查,通常会利用sig值为零来检验某个进程是否仍在执行。
返回值说明:
成功执行时,返回0。
失败返回-1,errno被设为以下的某个值EINVAL:
指定的信号码无效(参数sig不合法)EPERM;权限不够无法传送信号给指定进程ESRCH:
参数pid所指定的进程或进程组不存在
4)参考程序
⑴进程的创建<程序>
#include
main()
{
intp1,p2;
while((p1=fork())==-1);/*创建子进程*/
if(p1==0)/*子进程创建成功*/
putchar(‘b’);
else
{
while((p2=fork())==-1);/*创建另一个子进程*/
if(p2==0)/*子进程创建成功*/
putchar(‘c’);
else
putchar(‘a’);/*父进程执行*/
}
}
<运行结果>
bca(有时会出现bac等)
<分析>
从进程并发执行来看,输出bac,acb等情况都有可能。
<原因>
fork()创建进程所需的时间虽然可能多于输出一个字符的时间,上面的三个进程没有同步措施,所以父进程与子进程的输出内容会叠加在一起。
输出次序带有随机性。
。
⑵进程的控制
<程序1>
#include
main()
{
intp1,p2,i
while((p1=fork())==-1);
if(p1==0)
for(i=0;i<50;i++)printf(“child%d\n”,i);
else
{
while(p2=(fork())==-1);
if(p2==0)
for(i=0;i<50;i++)printf(“son%d\n”,i);
else
for(i=0;i<50;i++)printf(“daughter%d\n”,i);
}
}
<运行结果>
child…
son…
daughter…
daughter…
或child
…son
…child
…son
…daughter
…等
<分析>
由于函数printf()输出的字符串之间不会被中断,因此,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。
<程序2>
#include
#include
#include
#include
main()
{
intp1,p2,i;
if(p1=fork())
{
lockf(1,1,0);
for(i=0;i<50;i++)
printf("parent%d\n",i);
lockf(1,0,0);
wait(0);/*保证在子进程终止前,父进程不会终止*/
exit(0);
}
else
{
if(p2=fork())
{
lockf(1,1,0);
for(i=0;i<50;i++)
printf("son%d\n",i);
lockf(1,0,0);
wait(0);/*保证在子进程终止前,父进程不会终止*/
exit(0);
}
else
{
lockf(1,1,0);
for(i=0;i<50;i++)
printf("daughter%d\n",i);
lockf(1,0,0);
exit(0);
}
}
}
<运行结果>
大致与未上锁的输出结果相同,也是随着执行时间不同,输出结果的顺序有所不同。
<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)与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。
⑶软中断通信
<程序流程图>
<程序1>
#include
#include
#include
#include
voidwaiting(),stop(),alarming();
intwait_mark;
main()
{
intp1,p2;
if(p1=fork())/*创建子进程p1*/
{
if(p2=fork())/*创建子进程p2*/
{//父进程
wait_mark=1;
signal(SIGINT,stop);/*接收到’DEL’信号,转stop*/
signal(SIGALRM,alarming);/*接受SIGALRM*/
waiting();
kill(p1,16);/*向p1发软中断信号16*/
kill(p2,17);/*向p2发软中断信号17*/
wait(0);/*同步*/
wait(0);
printf("parentprocessiskilled!
\n");
exit(0);
}
else
{
wait_mark=1;
signal(17,stop);
signal(SIGINT,SIG_IGN);/*忽略^c信号*/
while(wait_mark!
=0);
lockf(1,1,0);
printf("childprocess2iskilledbyparent!
\n");
lockf(1,0,0);
exit(0);
}
}
else
{
wait_mark=1;
signal(16,stop);
signal(SIGINT,SIG_IGN);/*忽略^c信号*/
while(wait_mark!
=0);
lockf(1,1,0);
printf("childprocess1iskilledbyparent!
\n");
lockf(1,0,0);
exit(0);
}
}
voidwaiting()
{
sleep(5);
if(wait_mark!
=0)
kill(getpid(),SIGALRM);
}
voidalarming()
{
wait_mark=0;
}
voidstop()
{
wait_mark=0;
}
<运行结果>
childprocessp1iskilledbyparent!
childprocessp2iskilledbyparent!
parentprocessiskilled!
<分析>
不做任何操作等待五秒钟父进程会在子进程先退出后再退出,并打印退出的顺序;或者点击ctrl+C后程序退出并打印退出的顺序。
<程序2>
#include
#include
#include
#include
intpid1,pid2;
intEndFlag=0,pf1=0,pf2=0;
voidIntDelete()
{
kill(pid1,16);
kill(pid2,17);
EndFlag=1;
}
voidInt1()
{
printf(“childprocessp1iskilledbyparent!
”)
exit(0);
}
voidInt2()
{
printf(“childprocessp1iskilledbyparent!
”)
exit(0);
}
main()
{intexited;
signal(SIGINT,SIG_IGN);
signal(SIGQUIT,SIG_IGN);
while((pid1=fork())==-1);
if(pid1==0)
{printf(“p1\n”)
signal(SIGUSR1,Int1);
signal(16,SIG_IGN)
pause();
exit(0);
}
else
while((pid2=fork())==-1);
if(pid2==0)
{printf(“p2\n”)
signal(SIGUSR2,Int1);
signal(17,SIG_IGN)
pause();
exit(0);
}
else
printf(“parent\n”);
signal(SIGINT,IntDelete);
waitpid(-1,&exitpid,0);
printf(“parentprocessiskilled!
\n”);
exit(0);
}
}
}
<运行结果>
请大家将上述程序输入计算机后,执行并观察结果。
<分析>
由于忽略了中断与退出信号,程序会一直保持阻塞状态为无法退出。
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