计算机操作系统实验四.docx
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计算机操作系统实验四.docx
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实验三进程与线程
问题:
进程是具有独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动,是系统进行资源分配和调度的独立单位,具有动态性、并发性、独立性、异步性和交互性。
然而程序是静态的,并且进程与程序的组成不同,进程=程序+数据+PCB,进程的存在是暂时的,程序的存在是永久的;一个程序可以对应多个进程,一个进程可以包含多个程序。
当操作系统引入线程的概念后,进程是操作系统独立分配资源的单位,线程成为系统调度的单位,与同一个进程中的其他线程共享程序空间。
本次实验主要的目的是:
(1)理解进程的独立空间;
(2)加深对进程概念的理解,明确进程和程序的区别;
(3)进一步认识并发执行的实质;
(4)了解红帽子(Linux)系统中进程通信的基本原理。
(5)理解线程的相关概念。
要求:
1、请查阅资料,掌握进程的概念,同时掌握进程创建和构造的相关知识和线程创建和构造的相关知识,了解C语言程序编写的相关知识;
(1)进程:
进程(Process)是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动,是系统进行资源分配和调度的基本单位,是操作系统结构的基础。
程序是指令、数据及其组织形式的描述,进程是程序的实体。
进程的概念主要有两点:
第一,进程是一个实体。
每一个进程都有它自己的地址空间,一般情况下,包括文本区域(textregion)、数据区域(dataregion)和堆栈(stackregion)。
文本区域存储处理器执行的代码;数据区域存储变量和进程执行期间使用的动态分配的内存;堆栈区域存储着活动过程调用的指令和本地变量。
第二,进程是一个“执行中的程序”。
程序是一个没有生命的实体,只有处理器赋予程序生命时(操作系统执行之),它才能成为一个活动的实体,我们称其为进程。
(2)进程的创建和构造:
进程简单来说就是在操作系统中运行的程序,它是操作系统资源管理的最小单位。
但是进程是一个动态的实体,它是程序的一次执行过程。
进程和程序的区别在于:
进程是动态的,程序是静态的,进程是运行中的程序,而程序是一些保存在硬盘上的可执行代码。
新的进程通过克隆旧的程序(当前进程)而建立。
fork()和clone()(对于线程)系统调用可用来建立新的进程。
(3)线程的创建和构造:
线程也称做轻量级进程。
就像进程一样,线程在程序中是独立的、并发的执行路径,每个线程有它自己的堆栈、自己的程序计数器和自己的局部变量。
但是,与独立的进程相比,进程中的线程之间的独立程度要小。
它们共享内存、文件句柄和其他每个进程应有的状态。
线程的出现也并不是为了取代进程,而是对进程的功能作了扩展。
进程可以支持多个线程,它们看似同时执行,但相互之间并不同步。
一个进程中的多个线程共享相同的内存地址空间,这就意味着它们可以访问相同的变量和对象,而且它们从同一堆中分配对象。
尽管这让线程之间共享信息变得更容易,但你必须小心,确保它们不会妨碍同一进程里的其他线程。
线程与进程相似,是一段完成某个特定功能的代码,是程序中单个顺序的流控制,但与进程不同的是,同类的多个线程是共享同一块内存空间和一组系统资源的,而线程本身的数据通常只有微处理器的寄存器数据,以及一个供程序执行时使用的堆栈。
所以系统在产生一个线程,或者在各个线程之间切换时,负担要比进程小得多,正因如此,线程也被称为轻型进程(light-weightprocess)。
一个进程中可以包含多个线程。
2、理解进程的独立空间的实验内容及步骤
shared=1
pid=fork()
pid<0
ERROR
Y
N
pid>0
输出shared操作
Y
pid==0
N
输出shared操作
Y
(1)编写一个程序,在其main()函数中定义一个变量shared,对其进行循环加/减操作,并输出每次操作后的结果;
源程序如下所示:
运行结果如图所示:
(2)使用系统调用fork()创建子进程,观察该变量的变化;
在
(1)的基础上修改源码,增加多进程部分代码:
结果:
与
(1)的运行结果不同,多进程情况下,子进程拷贝了父进程的内存区,因此父子进程有各自的内存空间,有各自的变量,互不影响。
父子进程从fork语句开始分开执行,且一般情况下,父子进程会争夺系统资源,谁先占用资源,谁先执行
(3)修改程序把shared变量定义到main()函数之外,重复第
(2)步操作,观察该变量的变化。
结果截图:
和
(2)的运行结果相同;
说明父子进程有各自的内存空间,有各自的变量,独立运行。
在多进程情况下,不管是局部变量还是全局变量,父子进程都会有各自的一份拷贝,从而独立运行。
3、理解线程的实验步骤
流程图如下所示:
开始
开始设置全局变量shared
创建主进程
创建线程
Sleep1S
Shared++
输出Shared的值
结束
开始
创建主进程
开始设置全局变量shared
创建线程
Sleep1S
Shared++
输出Shared的值
结束
(1)编写一个程序,在其main()函数中创建一个(或多个)线程,观察该线程是如何与主线程并发运行的。
输出每次操作后的结果;
代码截图:
结果截图:
多次运行程序,可以看到会有不同的结果出现;
原因:
多个线程是并发执行的,相互独立运行的,多次执行结果可能不相同。
(2)在main()函数外定义一个变量shared(全局变量),在main()中创建一个线程,在main()中和新线程shared进行循环加/减操作,观察该变量的变化;
代码截图:
结果截图:
分析:
程序中两个进程都对shared变量产生影响,从而使shared的值在重复0和1。
原因:
在多个线程中均可使用,说明多个线程共享了一块存储区,从而验证了这多个线程共享了同一进程块。
(3)修改程序把shared变量定义到main()函数之内,重复第
(2)步操作,观察该变量的变化。
直接把全局变量shared改成局部定义,其它的保持不变直接编译出现错误;
代码:
当shared为全局变量时,程序可以正常执行,说明了shared在共享的进程块中,而不是某个线程所独占;然而此时,shared只是改为局部变量,编译时出现错误,不能继续进行操作,需要改动程序,通过传递指针变量消除错误,继续运行。
4.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(多次运行,查看结果是否有变化),并分析原因;
多次执行的话,a/b/c的显示顺序不一定,取决于进程的调度时机:
P1和父进程执行先后次序随机
1)执行p1进程时,先输出‘b’;执行到语句
2)执行父进程时,当执行到语句P2=fork()时,如果创建新进程成功,则又出现一个新进程,即子进程(记为p2),父进程仍然存在。
P2=fork()语句执行完之后,p2和父进程执行先后次序随机。
此时执行p2时,输出‘c’;父进程会输出‘a’。
5、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,在观察程序执行时屏幕出现的现象(多次运行,查看结果是否有变化),并分析原因;
结果:
字符串内部字符的数字不会改变;
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
6、如果在程序中使用调用lockf()来给每一个子进程加锁,可以实现进程之间的互斥,观察并分析出现的现象;
代码:
结果:
分析:
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。
7、分析总结
(1)对于fork()语句的使用还是不够熟练和清楚;
(2)注意shared的全局性和局部性,而且在作为局部变量时,应注意print_thread_id()函数和pthread_create()函数的使用,因为后者的第四个参数是指针型变量,故在传递shared的值时应注意指针的使用;
(3)vi操作;
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- 计算机 操作系统 实验