《操作系统》实验报告
实验序号：3                            实验项目名称：进程管理
学  号
姓  名
ZRZ
专业、班
18计卓1班
实验地点
指导教师
李远敏
实验时间
2020.4.10
一、实验目的及要求
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，学习解决进程互斥的方法
二、实验设备（环境）及要求
1.Ubuntu操作系统环境
2.搭建Ubuntu操作系统下的C语言编程环境。
三、实验内容与步骤
1.进程的创建一：
（1）编写一段程序，使用系统调用fork()创建两个子进程。 
（2）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。
（3）让每一个进程在屏幕上显示一个字符：父进程显示字符“a”；子进程分别显示字符“b”和字符“c”。 
（4）试观察记录屏幕上的显示结果，并分析原因。
2.进程的创建二：
（1）使用vi将程序清单2-4输入
（2）将fork函数换成vfork函数程序有什么变化，指出fork函数与vfork函数的区别
（3）利用gcc编译这个程序，写出编译命令和执行结果；如果不成功，尝试利用gdb调试
（4）仔细阅读程序，并画出程序流程图。
3.进程的控制：
（1）修改实验内容1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。
（2）观察程序执行时屏幕上出现的现象，并分析原因。
（3）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。
4.进程创建替换控制：
（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）利用wait()来控制进程执行顺序。
linux下的sleep函数
四、实验结果与数据处理
1.进程的创建一
（1）实验结果：
图1：进程的创建一代码
图2：程序运行结果
（2）结果分析：
运行结果：我们由图可以得知输出结果为bca或者abc的任意排列。
结果分析：我们从进程执行并发的角度来思考，不管输出abc的任意排列都是有可能的。
原因：fork函数的原理是：一个现有进程可以调用fork函数创建一个新进程。由fork创建的新进程被称为子进程（child process）。fork函数被调用一次但返回两次。两次返回的唯一区别是子进程中返回0值而父进程中返回子进程ID。
在fork函数执行完毕后，如果创建新进程成功，则出现两个进程，一个是子进程，一个是父进程。在子进程中，fork函数返回0，在父进程中，fork返回新创建子进程的进程ID。我们可以通过fork返回的值来判断当前进程是子进程还是父进程。
而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，但各个进程的时间片的获得却不是一定是顺序的，所以输出abc的排列都是有可能的。
（3）程序修改：
1.如果想让子进程先执行，父进程后执行，利用wait()/waitpid()函数怎样修改程序实现。
2.如果让多个进程不并发执行，而是按规定的顺序执行，请利用sleep()函数怎样修改程序实现。
图3：修改后的代码
图4：修改后的代码运行结果
从代码修改后的运行结果和网上查阅的资料我们可以知道wait()/waitpid()和sleep()函数都可以控制进程执行的先后顺序，而我们也可以深入了解一下wait()和waitpid()的区别：
a. wait()函数用于使父进程（也就是调用wait()的进程）阻塞，直到一个子进程结束或者该进程接收到了一个指定的信号为止。如果该父进程没有子进程或者它的子进程已经结束，则wait()函数就会立即返回。
b. waitpid()的作用和wait()一样，但它并不一定要等待第一个终止的子进程（它可以指定需要等待终止的子进程），它还有若干选项，如可提供一个非阻塞版本的 wait()功能，也能支持作业控制。实际上，wait()函数只是 waitpid()函数的一个特例，在Linux 内部实现 wait()函数时直接调用的就是waitpid()函数。
2.进程的创建二
（1）实验结果：
  输入gcc -Wall ex_forc.c -o ex_forc 
   
图5：fork()函数程序运行结果
输入gcc -Wall ex_forc.c -o ex_forc
        ./ex_forc
图6：vfork()函数程序运行结果
（2）结果分析：
使用fork()函数由于子进程与父进程的运行是无关的，父进程可先于子进程运行，子进程也可先于父进程运行，而使用vfork()函数则一定是子进程先于父进程运行。他们的区别是：
a.fork()用于创建一个新进程。由fork()创建的子进程是父进程的副本。即子进程获取父进程数据空间，堆和栈的副本。父子进程之间不共享这些存储空间的部分。而vfork()创建的进程并不将父进程的地址空间完全复制到子进程中，因为子进程会立即调用exec (或exit)于是也就不会存放该地址空间。相反，在子进程调用exec或exit之前，它在父进程的空间进行。
  b.vfork()与fork()另一个区别就是：vfork保证子进程先运行，在它调用exec或exit之后父进程才可能被调度运行。
图7：fork()函数程序
图8：vfork()函数程序
图8：vfork()函数程序
图9：程序流程图
3.进程的控制
（1）实验结果：
  输入gcc -Wall jckz.c -o jckz
图10：无lockf()程序运行结果
结果分析：由于函数printf()输出的字符串之间不会被中断，因此,每个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。
图11：有lockf()程序运行结果
图12：无lockf()程序代码
图13：有lockf()程序代码
（2）结果分析：
运行结果：我们可以从图中得知，上锁的输出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，输出结果的顺序会有所不同。
结果分析：因为上述程序执行时，不同进程之间不存在共享临界资源（其中打印机的互斥性已有由操作系统保证）问题，所以，加锁与不加锁效果相同。
（3）总结：
因为第一次使用lockf()，刚开始还不明白lockf()中的参数到底应该怎样用，后来在网上查询了资料，才明白了lockf(int fd, int cmd, off_t len)中的参数分别为：fd 是打开文件的文件描述符，cmd 是指定要采取的操作的控制值，len是要锁定或解锁的连续字节数。
lockf()函数允许将文件区域用作信号量（监视锁），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。
此函数调用成功后，将返回值 0，否则返回−1，并且设置 errno 以表示该错误。
4.进程创建替换控制
（1）实验结果：
图14：程序运行结果1
图15：程序运行结果2
图16：程序代码
执行命令ls -l ，列出当前目录下所有文件和子目录；
ls completed!
（2）结果分析：
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。
（3）思考：
a.可执行文件加载时进行了哪些处理？
可执行文件加载时首先是创建一个新进程的fork系统调用，然后用于实现进程自我终止的exit系统调用；改变进程原有代码的exec系统调用；用于将调用进程挂起并等待子进程终止的wait系统调用；获得进程标识符的getpid系统调用等处理过程。
b.什么是进程同步？wait()是如何实现进程同步的？
进程同步是指对多个相关进程在执行次序上进行协调，以使并发执行的主进程之间有效地共享资源和相互合作，从而使程序的执行具有可在现行。 
首先程序在调用fork()机那里了一个子进程后，马上调用wait()，使父进程在子进程调用之前一直处于睡眠状态，这样就使子进程先运行，子进程运行exec()装入命令后，然后调用wait（0），使子进程和父进程并发执行，实现进程同步。
5、分析与讨论
通过这一次的实验，我对进程的控制和管理有了更多的了解，也学会了如何对子进程和父进程进行相应的操作，明白了fork()、vfork()、exec()、wait()、waitpid()、sleep()、lockf()等等函数，对于进程的整个运行过程和运行方式有了更加深入地体会，让我对linux操作系统的学习更加得心应手了。
六、教师评语
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