一、设计题目
进程管理及理解和增加Linux系统调用
二、设计时间和地点
设计时间:20##年12月26日——20##年12月29日
设计地点:装备制造学院B座502机房
三、设计目的和要求
(1)加深对进程概念的理解,明确进程和程序的区别。
(2)进一步认识并发执行的实质。
(3)分析进程争用资源的现象,学习解决互斥的方法。
(4)了解Linux系统中进程通信的基本原理。
(5)弄清进程管理在操作系统中的地位和作用。
(6) 初步揭开Linux内核的神秘“面纱”,为今后深入学习内核原理打下基础。
(7)弄清系统调用原理,以及操作系统在处理每个系统调用的时候,用户态怎样切入核心态?又怎样从核心态返回到用户态的?
四、设计内容
(1)实验准备
a. 基本头文件
<sys/types.h>:类型头文件,定义了基本的系统数据类型。
<unistd.h>:定义了各种符号常数和类型,并声明了各种函数。
<stdio .h>带缓冲的标准输入输出!
<stdlib.h>头文件即standard library标准库头文件
b.vi编辑器的基本使用
[root@localhost ~]# vi filename
Command 模式是vi默认模式,如果我们处于其它命令模式时,当我们按ESC键后,接着再输入:号时,vi会在屏幕的最下方等待我们输入命令;
:w 保存;
:w filename 另存为filename;
:wq! 保存退出;
:wq! filename 注:以filename为文件名保存后退出;
:q! 不保存退出;
c.gcc的基本使用
1、直接编译
gcc filename.c -o filename
2、分步编译
进行预编译
# gcc -E hello.c -o hello.i
生成目标代码
# gcc -c hello.i -o hello.o
链接成可执行文件
# gcc hello.o -o hello
d.U盘的挂载与卸载
先要为外挂点新建一个子目录,一般外挂点的子目录都是建立在/mnt里面的,也建在那里,当然也可以建在/目录下,名字可以自己定,就取名为usb,终端下的命令如下:mkdir /mnt/usb
然后接上U盘了,在终端下输入mount /dev/sdb1 /mnt/usb命令并击Enter
删除挂起点,方法是:umount /dev/sdb1 /mnt/usb 或 umount /dev/sdb1
(2)设计内容
1、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“A”;子进程分别显示字符“b”和“c”。试观察记录屏幕上的显示结果,并分析原因。
a、程序代码:
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
main()
{
if(fork()==0)
{
printf("进程b 该进程的ID号为:%d\n",getpid());
exit(0);
}
else
{
if(fork()==0)
{
printf("进程c 该进程的ID号为:%d\n",getpid());
exit(0);
}
printf("进程a 该进程的ID号为:%d\n",getpid());
exit(0);
}
}
b、程序解释
fork()函数:
功能:创建一个新进程。
格式:int fork()
返回值:
·0:创建子进程,从子进程返回的id值
·大于0:从父进程返回的了进程id值
·-1:创建失败
getpid()函数:getpid函数用来取得目前进程的进程识别码,许多程序利用取到 的此值来建立临时文件
c、结果截图
c、结果分析
多次运行程序,显示结果不一定唯一。具体显示顺序由调度机制决定。
2、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。
a、 程序代码
#include<stdio.h>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
main()
{
int p1,p2,i;
if(p1=fork()){
lockf(1,1,0);
printf("子进程2已创建!!\n");
exit(0);
}
else{
if(p2=fork())
printf("子进程1已创建!!\n");
exit(0);
else
printf("父进程已经创建!!\n");
exit(0);
}
}
b、结果截图
c、 结果分析
成功显示一段话,其中循序与进程的调度机制有关
加入lockf()函数后
#include<stdio.h>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
main()
{
int p1,p2,i;
if(p1=fork()){
lockf(1,1,0);
printf("子进程2已创建!!\n");
exit(0);
lockf(1,0,0);
}
else{
if(p2=fork())
lockf(1,1,0);
printf("子进程1已创建!!\n");
exit(0);
lockf(1,0,0);
else
lockf(1,1,0);
printf("父进程已经创建!!\n");
exit(0);
lockf(1,0,0);
}
}
b、程序解释
lockf()函数:允许将文件区域用作信号量,或用于控制对锁定进程的访问(强制模式记录锁定)。试图访问已锁定资源的其他进程将返回错误或进入休眠状态,直到资源解除锁定为止。当关闭文件时,将释放进程的所有锁定,即使进程仍然有打开的文件。当进程终止时,将释放进程保留的所有锁定。
c、结果分析
显示结果与未加lockf()并无太大区别,只是显示固定
3、①编制一段程序,使其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来的中断信号;当捕捉到中断信号后,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:
Child Process11 is Killed by Parent!
Child Process12 is Killed by Parent!
父进程等待两个子进程终止后,输出如下的信息后终止:
Parent Process is Killed!
a、 程序框图
b、程序代码:
#include<stdio.h>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
void waiting(),stop();
int wait_mark;
main()
{
int p1,p2;
if(p1=fork()){
if(p2=fork()) {
wait_mark=1;
signal(SIGINT,stop);
waiting();
kill(p1,16);
kill(p2,17);
wait(0);
wait(0);
printf("parent process is killed!\n");
exit(0);
}
else{
wait_mark=1;
signal(SIGINT,stop);
waiting();
lockf(1,0,0);
printf("child process2 is killed by parent!\n");
lockf(1,0,0);
exit(0);
}
}
else{
wait_mark=1;
signal(SIGINT,stop);
waiting();
lockf(1,0,0);
printf("child process1 is killed by parent!\n");
lockf(1,0,0);
exit(0);
}
}
void waiting()
{
while (wait_mark!=0);
}
void stop()
{
wait_mark=0;
}
c、 程序解释:
kill(p1,16):用来送参数16(代表用户自定义信号一)指定的信号给参数p1指定的进程
kill(p2,17):用来送参数17(代表用户自定义信号二)指定的信号给参数p2指定的进程
signal(SIGINT,stop):捕捉SIGINT信号(ctrl+c会产生该信号),转而执行stop函数
d、 结果截图
e、 结果分析:
由于stop函数与waiting函数共同作用。保证了Parent Process is Killed!一定在Child Process11 is Killed by Parent!Child Process12 is Killed by Parent!之后输出。
f、 调试问题:
由于网上原版的程序代码没有<stdlib.h>头文件。而exit(0);是包含在该头文件中,所以会出现“隐式声明与内建函数 ‘exit’ 不兼容”错误。
②在上面的程序中增加系统调用signal(SIGINT,SIG_IGN)和signal(SIGQUIT,SIG_IGN),观察执行结果,并分析原因。
a、程序代码:
#include<stdio.h>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
int pid1,pid2;
int EndFlag=0;
int pf1=0;
int pf2=0;
void IntDelete()
{
kill(pid1,16);
kill(pid2,17);
EndFlag=1;
}
void Int1()
{
printf("child process 1 is killed !by parent\n");
exit(0);
}
void Int2()
{
printf("child process 2 is killed !by parent\n");
exit(0);
}
main()
{
int exitpid;
signal(SIGINT,SIG_IGN);
signal(SIGQUIT,SIG_IGN);
if(pid1=fork())
{
signal(SIGUSR1,Int1);
signal(SIGINT,SIG_IGN);
pause();
exit(0);
}
else
{
if(pid2=fork())
{
signal(SIGUSR1,Int1);
signal(SIGINT,SIG_IGN);
pause();
exit(0);
}
else{
signal(SIGINT,IntDelete);
waitpid(-1,&exitpid,0);
printf("parent process is killed\n");
exit(0);
}
}
}
b、程序解释:
signal(SIGINT,SIG_IGN):捕捉中断信号,用SIG_IGN忽略
pause():暂停程序,知道signal发出信号
c、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而无法退出
4、进程的管道通信
编制一段程序,实现进程的管道通信,
使用系统调用pipe()建立一个管道文件;两个子进程P1和P2分别向管道各写一句话:
Child1 is sending a message!
Child2 is sending a message!
而父进程则从管道中读出来自于两个子进程的信息,显示在屏幕上。
要求父进程先接收子进程P1发来的消息,然后再接收子进程P2发来的消息。
a、 程序框图
b、 程序代码:
#include<unistd.h>
#include<signal.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
int pid1,pid2;
main()
{
int fd[2];
char OutPipe[100],InPipe[100];
pipe(fd);
while((pid1=fork())==-1);
if(pid1==0)
{
lockf(fd[1],1,0);
sprintf(OutPipe,"child 1 process is sending message!"); write(fd[1],OutPipe,50);
sleep(5);
lockf(fd[1],0,0);
exit(0);
}
else
{
while((pid2=fork())==-1);
if(pid2==0)
{
lockf(fd[1],1,0);
sprintf(OutPipe,"child 2 proeess is sending message!");
write(fd[1],OutPipe,50);
sleep(5);
lockf(fd[1],0,0);
exit(0);
}
else
{
wait(0);
read(fd[0],InPipe,50);
printf("%s\n",InPipe);
wait(0);
read(fd[0],InPipe,50);
printf("%s\n",InPipe);
exit(0);
}
}
}
c、程序解释:
read(fd[0],InPipe,50); 参数handle所指的文件传送nbyte个字节到buf指针所指的内存中。
write(fd[1],OutPipe,50);//fd[1]文件描述符(写),buffer,50个字节
sprintf(OutPipe,"child 1 process is sending message!");//将引号内容输入到OutPipe数组中
sleep(5):让程序睡眠5秒
pipe(fd):通道函数,参数确定读写操作
d、结果截图:
e、结果分析
管道两端可分别用描述字fd[0]以及fd[1]来描述,需要注意的是,管道的两端是固定了任务的。即一端只能用于读,由描述字fd[0]表示,称其为管道读端;另一端则只能用于写,由描述字fd[1]来表示,称其为管道写端。
(三)、自学笔记:
程序段中每个进程退出时都用了语句exit(0),为什么?请读者思考。
这是进城的正常终止。在正常终止时exit()函数会返回进程结束状态。异常终止时,则由系统内核产生一个代表异常终止原因的终止状态。该进程的父进程都能用wait()得到其终止状态。在子进程调用exit()后,子进程的结束状态会返回给系统内核,由内核根据状态字生成的终止状态。供父进程在wait()中读取数据,若子进程结束后,父进程还没有读取子进程的终止状态,则系统就子进程的终止状态设置为“ZOMBIE”并保留子进程的控制块信息。父进程读取信息后,系统才彻底释放子进程的控制块。若父进程在子进程结束之前结束的话,则子进程就编程了“孤儿进程”,系统进程init会自动“收养”该子进程,成为该子进程的父进程即父进程标识号变为1,当子进程结束时,init会自动调用wait()读取子进程的遗留数据,从而避免在系统中留下的大量垃圾。
信号标识表
参考书目
《Linux的内核与编程》 机械工业出版社 雷澎等
《Linux的安装与使用》 机械工业出版社 雷澎等
《操作系统课程设计》 机械工业出版社 罗宇等
有关Linux的相关书籍
(四)、设计体会:
linux系统不同于windows系统,图形界面功能不是很强大,但是它的运行速度及响应时间快于windows,而且性能稳定。本次试验,初步接触了linux系统。对其命令行的操作方式初步了解。深刻感触到我现在对鼠标的依赖。比如U盘的加载与卸载,以前windows系统下只是点一点鼠标就能解决。可是linux系统下需要自己敲命令代码,否则寸步难行。对于命令行方式的了解相信会给我将来学习铺好路,因为以后接触的东西一定会那些没有现成结果的,需要自己动手创建的。关于程序方面,虽然多数是从网上拷贝的,因为对于linux的系统调用我并不熟悉,比如fork()函数我就从来没有见过。还有linux下c语言的头文件都不是很清楚。但是这次的实验并没有仅仅的拷贝粘贴。我细心的分析了网上的程序,每个不懂得函数都仔细的查询了其功能及参数。让我对linux的系统调用有了初步认识。也初步接触了linux系统下编程过程。此外,我还附加的了解了vi编辑器的基本使用。现已经成使用vi编辑器编辑c语言函数。也今本掌握了gcc编译器的编译过程。不过同时也存在一些问题。比如,我还是不能熟练的应用linux系统调用,还不能靠自己的能力写出实验内容程序。总之,本次试验我受益匪浅,拓展了不同的操作系统方面的知识。相信这只是起步,将来我会在这个基础上进一步发展。
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