操作系统实验实验1DOC.docx
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操作系统实验实验1DOC.docx
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操作系统实验实验1DOC
广州大学学生实验报告
开课学院及实验室:
计算机科学与工程实验室2015年11月10日
实验课程名称
操作系统实验
成绩
实验项目名称
进程管理与进程通信
指导老师
(***报告只能为文字和图片,老师评语将添加到此处,学生请勿作答***)
1、实验目的
1.1、掌握进程的概念,明确进程的含义
1.2、认识并了解并发执行的实质
2.1、掌握进程另外的创建方法
2.2、熟悉进程的睡眠、同步、撤消等进程控制方法
3.1、进一步认识并发执行的实质
3.2、分析进程竞争资源的现象,学习解决进程互斥的方法
4.1、了解守护进程
5.1、了解什么是信号
5.2、INUX系统中进程之间软中断通信的基本原理
6.1、了解什么是管道
6.2、熟悉UNIX/LINUX支持的管道通信方式
7.1、了解什么是消息
7.2、熟悉消息传送的机理
8.1、了解和熟悉共享存储机制
二、实验内容
1.1、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'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。
1.2、修改上述程序,每一个进程循环显示一句话。
子进程显示'daughter…'及'son……',父进程显示'parent……',观察结果,分析原因。
2.1、用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
2.2、利用wait()来控制进程执行顺序
3.1、修改实验
(一)中的程序2,用lockf()来给每一个进程加锁,以实现进程之间的互斥
3.2、观察并分析出现的现象
4.1、写一个使用守护进程(daemon)的程序,来实现:
创建一个日志文件/var/log/Mydaemon.log;
每分钟都向其中写入一个时间戳(使用time_t的格式);
5.1、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来的中断信号(即按^c键);捕捉到中断信号后,父进程用系统调用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!
5.2、用软中断通信实现进程同步的机理
6.1、编写程序实现进程的管道通信。
用系统调用pipe()建立一管道,二个子进程P1和P2分别向管道各写一句话:
Child1issendingamessage!
Child2issendingamessage!
父进程从管道中读出二个来自子进程的信息并显示(要求先接收P1,后P2)。
7.1、消息的创建、发送和接收。
使用系统调用msgget(),msgsnd(),msgrev(),及msgctl()编制一长度为1k的消息发送和接收的程序。
8.1、编制一长度为1k的共享存储区发送和接收的程序。
三、实验原理
1、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。
2、进程是进程映像的执行过程,也就是正在执行的进程实体。
3、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)。
4、NIX/LINUX中fork()是一个非常有用的系统调用,但在UNIX/LINUX中建立进程除了fork()之外,也可用与fork()配合使用的exec()。
5、lockf(files,function,size)用作锁定文件的某些段或者整个文件。
6、每个信号都对应一个正整数常量(称为signalnumber,即信号编号。
定义在系统头文件
每个进程在运行时,都要通过信号机制来检查是否有信号到达。
若有,便中断正在执行的程序,转向与该信号相对应的处理程序,以完成对该事件的处理;处理结束后再返回到原来的断点继续执行。
实质上,信号机制是对中断机制的一种模拟,故在早期的UNIX版本中又把它称为软中断。
7、信号的发送,是指由发送进程把信号送到指定进程的信号域的某一位上。
如果目标进程正在一个可被中断的优先级上睡眠,核心便将它唤醒,发送进程就此结束。
一个进程可能在其信号域中有多个位被置位,代表有多种类型的信号到达,但对于一类信号,进程却只能记住其中的某一个。
8、当一个进程要进入或退出一个低优先级睡眠状态时,或一个进程即将从核心态返回用户态时,核心都要检查该进程是否已收到软中断。
当进程处于核心态时,即使收到软中断也不予理睬;只有当它返回到用户态后,才处理软中断信号。
9、管道,是指能够连接一个写进程和一个读进程的、并允许它们以生产者—消费者方式进行通信的一个共享文件,又称为pipe文件。
10、消息机制允许由一个进程给其它任意的进程发送一个消息。
11、该机制可使若干进程共享主存中的某一个区域,且使该区域出现(映射)在多个
进程的虚地址空间中。
四、实验设备
Linux系统
五、实验程序
1、创建子进程相关代码
#include
#include
intmain()
{
intp1,p2;
while((p1=fork())==-1);/*创建子进程p1*/
if(p1==0)putchar('b');
else
{
while((p2=fork())==-1);/*创建子进程p2*/
if(p2==0)putchar('c');
elseputchar('a');
}
}
修改后:
#include
#include
intmain()
{
intp1,p2,i;
while((p1=fork())==-1);/*创建子进程p1*/
if(p1==0)
for(i=0;i<10;i++)
printf("daughter%d\n",i);
else
{
while((p2=fork())==-1);/*创建子进程p2*/
if(p2==0)
for(i=0;i<10;i++)
printf("son%d\n",i);
else
for(i=0;i<10;i++)
printf("parent%d\n",i);
}
}
2、exec,wait相关代码
#include
#include
#include
#include
voidmain()
{
intpid;
pid=fork();/*创建子进程*/
switch(pid)
{
case-1:
/*创建失败*/
printf("forkfail!
\n");
exit
(1);
case0:
/*子进程*/
execl("/bin/ls","ls","-1","-color",NULL);
printf("execfail!
\n");
exit
(1);
default:
/*父进程*/
wait(NULL);/*同步*/
printf("lscompleted!
\n");
exit(0);
}
}
3、lockf相关代码
#include
#include
#include
intmain()
{
intp1,p2,i;
while((p1=fork())==-1);/*创建子进程p1*/
if(p1==0)
{
lockf(1,1,0);/*加锁,这里第一个参数为stdout(标准输出设备的描述符)*/
for(i=0;i<10;i++)
printf("daughter%d\n",i);
lockf(1,0,0);/*解锁*/
}
else
{
while((p2=fork())==-1);/*创建子进程p2*/
if(p2==0)
{
lockf(1,1,0);/*加锁*/
for(i=0;i<10;i++)
printf("son%d\n",i);
lockf(1,0,0);/*解锁*/
}
else
{
lockf(1,1,0);/*加锁*/
for(i=0;i<10;i++)
printf("parent%d\n",i);
lockf(1,0,0);/*解锁*/
}
}
}
4、守护神程序:
#include
#include
#include
#include
#include
intmain(){
time_tt;
FILE*fp;
fp=fopen("/var/log/Mydaemon.log","a");
pid_tpid;
pid=fork();
if(pid>0){
printf("Daemononduty!
\n");
exit(0);
}
elseif(pid<0){
printf("Can'tfork!
\n");
exit(-1);
}
while
(1){
if(fp>=0){
sleep(60);
printf("Daemononduty!
\n");
t=time(0);
fprintf(fp,"Thecurrenttimeis%s\n",asctime(localtime(&t)));
}
}
fclose(fp);
}
5、通信中断关代码
#include
#include
#include
#include
#include
voidwaiting(),stop();
intwait_mark;
intmain()
{
intp1,p2,stdout;
while((p1=fork())==-1);/*创建子进程p1*/
if(p1>0)
{
while((p2=fork())==-1);/*创建子进程p2*/
if(p2>0)
{
wait_mark=1;
signal(SIGINT,stop);/*接收到^c信号,转stop*/
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);/*接收到软中断信号17,转stop*/
waiting();
lockf(stdout,1,0);
printf("Childprocess2iskilledbyparent!
\n");
lockf(stdout,0,0);
exit(0);
}
}
else
{
wait_mark=1;
signal(16,stop);/*接收到软中断信号16,转stop*/
waiting();
lockf(stdout,1,0);
printf("Childprocess1iskilledbyparent!
\n");
lockf(stdout,0,0);
exit(0);
}
}
voidwaiting()
{
while(wait_mark!
=0);
}
voidstop()
{
wait_mark=0;
}
6、管道相关代码:
#include
#include
#include
#include
#include
intpid1,pid2;
intmain()
{
intfd[2];
charoutpipe[100],inpipe[100];
pipe(fd);/*创建一个管道*/
while((pid1=fork())==-1);
if(pid1==0)
{
lockf(fd[1],1,0);
sprintf(outpipe,"child1processissendingmessage!
");
/*把串放入数组outpipe中*/
write(fd[1],outpipe,50);/*向管道写长为50字节的串*/
sleep(5);/*自我阻塞5秒*/
lockf(fd[1],0,0);
exit(0);
}
else
{
while((pid2=fork())==-1);
if(pid2==0)
{lockf(fd[1],1,0);/*互斥*/
sprintf(outpipe,"child2processissendingmessage!
");
write(fd[1],outpipe,50);
sleep(5);
lockf(fd[1],0,0);
exit(0);
}
else
{
wait(0);/*同步*/
read(fd[0],inpipe,50);/*从管道中读长为50字节的串*/
printf("%s\n",inpipe);
wait(0);
read(fd[0],inpipe,50);
printf("%s\n",inpipe);
exit(0);
}
}
}
7、消息的相关代码:
lient.c
#include
#include
#include
#include
#include
#defineMSGKEY75
structmsgform
{
longmtype;
charmtext[1000];
}msg;
intmsgqid;
voidclient()
{
inti;
msgqid=msgget(MSGKEY,0777);
for(i=10;i>=1;i--)
{
msg.mtype=i;
printf("(client)sent\n");
msgsnd(msgqid,&msg,1024,0);
}
exit(0);
}
intmain()
{
client();
}
server.c
#include
#include
#include
#include
#include
#defineMSGKEY75
structmsgform
{
longmtype;
charmtext[1000];
}msg;
intmsgqid;
voidserver()
{
msgqid=msgget(MSGKEY,0777|IPC_CREAT);/*创建75#消息队列*/
do
{
msgrcv(msgqid,&msg,1030,0,0);/*接收消息*/
printf("(server)received\n");
}while(msg.mtype!
=1);
msgctl(msgqid,IPC_RMID,0);/*删除消息队列,归还资源*/
exit(0);
}
intmain()
{
server();
}
8、共享存储机制的相关代码
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#defineSHMKEY75
#defineSHMSZ128
intshmid,i;
int*addr;
voidclient()
{
inti;
shmid=shmget(SHMKEY,1024,0777);/*打开共享存储区*/
addr=shmat(shmid,0,0);/*获得共享存储区首地址*/
for(i=9;i>=0;i--)
{
while(*addr!
=-1);
printf("(client)sent\n");
*addr=i;
}
exit(0);
}
voidserver()
{
shmid=shmget(SHMKEY,1024,0777|IPC_CREAT);/*创建共享存储区*/
addr=shmat(shmid,0,0);/*获取首地址*/
do
{
*addr=-1;
while(*addr==-1);
printf("(server)received\n");
}while(*addr);
shmctl(shmid,IPC_RMID,0);/*撤消共享存储区,归还资源*/
exit(0);
}
intmain()
{
while((i=fork())==-1);
if(!
i)
server();
system("ipcs-m");
while((i=fork())==-1);
if(!
i)
client();
wait(0);
wait(0);
}
六、实验结果
实验1.1
本来从进程并发执行来看,各种情况都有可能。
上面的三个进程没有同步措施,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。
实验1.2
由实验1.1可知各种情况都有可能由于函数,而且printf()在输出字符串时不会被中断,因此,字符串内部字符顺序输出不变。
但由于进程并发执行的调度顺序和父子进程抢占处理机问题,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。
实验2.1~2.2
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。
wait()给我们提供了一种实现进程同步的简单方法。
实验3.1~3.2
加锁和没加锁还是有区别的。
没加锁,子进程的for循环会被“打断”,也就是说,10个daughter和10个son会互相穿插。
而加锁以后,尽管10个son和10个daughter会或先或后出现,但是不会互相穿插,以10个10个这样的完整形式输出。
这是因为加锁以后,屏幕输出要等解锁指令发出后,才会让第二个进程执行输出,在第一个进程没有解锁前,其余进程不能输出。
实验4.1
终端:
日志:
fprintf(fp,"Thecurrenttimeis%s\n",asctime(localtime(&t)))只是把当前时间输入到缓冲区,并没有写到Mydaemon.log文件里面,所以并不会输出时间。
唯有在fprintf最后写上fflush(fp)才能强制输出时间戳到Mydaemon.log文件里面。
实验5.1~5.2
屏幕上无反应,按下^C后,显示Parentprocessiskilled!
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号处。
这是因为signal()的执行只是为进程指定信号值16或17的作用,以及分配相应的与stop()过程链接的指针。
因而,signal()函数必须在程序前面部分执行。
实验6.1
延迟5秒后显示:
child1processissendingmessage!
再延迟5秒:
child2processissendingmessage!
实验7.1
应当是每当client发送一个消息后,server接收该消息,client再发送下一条。
也就是说“(client)sent”和“(server)received”的字样应该在屏幕上交替出现。
实际的结果大多是,先由client发送了两条消息,然后server接收一条消息。
此后client、server交替发送和接收消息。
最后server一次接收两条消息。
client和server分别发送和接收了10条消息,与预期设想一致。
实验8.1
在运行过程中,发现每当client发送一次数据后,server要等待大约0.1秒才有响应。
同样,之后client又需要等待大约0.1秒才发送下一个数据。
七、问题回答分析
(1.1)系统是怎样创建进程的?
答:
系统通过fork()系统调用来创建父进程对应的子进程,创建成功将返回一个值“0”给子进程,父进程会被返回子进程的id值(大于0),若创建失败返回“-1”。
(1.2)当首次调用新创建进程时,其入口在哪里?
答:
入口就是fork()返回给创建的子进程的pid值。
(2.1)可执行文件加载时进行了哪些处理?
答:
获得目录下所有文件的信息,然后把目录倒序,再加载到子进程中。
(2.2)什么是进程同步?
wait()是如何实现进程同步的?
答:
进程同步就是不同进程按照一定的顺序先后执行,而不是没有顺序的或先或后执行。
Wait()是要等待子进程中exit()返回正常软中断的信号时才结束等待,执行父进程wait()后面的代码。
Wait和exit是配合使用的,在进程的同步上面,一般wait放在父进程中用来等待子进程的exit返回值。
(3)无习题。
答:
略。
(4)无习题。
答:
略。
(5.1)该程序段前面部分用了两个wait(0),它们起什么作用?
答:
等待两个子进程exit()的返回值再继续执行下面代码。
(5.2)该程序段中每个进程退出时都用了语句exit(0),为什么?
答:
子进程正常退出时,返回值给wait(),再执行父进程。
(5.3)为何预期的结果并未显示出?
答:
由于父子进程都同时接收到^c中断信号
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