中山大学软件工程操作系统实验一报告
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实验一 进程和进程通信
一、 实验目的
1. 加深对进程概念的理解，明确进程和程序的区别。进一步认识并发执行的实质。
2. 了解信号处理。
3. 认识进程间通信（IPC）：进程间共享内存。
4. 实现shell：了解程序运行。
二、 实验运行环境
虚拟机VMware下的Ubuntu16.04系统
三、 实验内容
1. 进程的创建实验
2. 信号处理实验
3. 进程间共享内存实验
4. 实现shell的要求
四、 实验过程
①进程的创建实验
(1) 将下面的程序编译运行，并解释现象
编译运行得到的结果如下图：
注意可能得到的结果不止一个，但是每一个结果中都有两个1、四个2、四个3、两个4，这里选取上图的结果来作分析。
可能的原因如下：
这里先用进程树来分析：
接下来是各个进程之间的竞争关系导致输出结果不同：
1. 首先执行父进程main，它创建子进程m-p1，进而输出1，再创建子进程m-p2，再输出2，然后执行if判断，此时pid1不为0，所以再输出4。main执行完毕，此过程输出1、2、4；
2. 两个子进程相互竞争，先执行子进程m-p2，它执行后面的代码，先输出2，然后执行if判断，此时该子进程继承了父进程main的pid1值，pid1不为0，所以输出4。m-p2执行完毕，此过程输出2、4；
3. 接着执行子进程m-p1，先输出1，再创建一个子进程m-p1-p2，继续输出2，然后执行if判断，此时pid1为0，创建子进程m-p1-p3，然后输出3。m-p1执行完毕，此过程输出1、2、3；
4. 然后执行子进程m-p1-p3，输出3。m-p1-p3执行完毕；
5. 接着执行m-p1-p2，先输出2，然后执行if判断，此时pid1为0，创建子进程m-p1-p2-p3，输出3。m-p1-p2执行完毕，此过程输出2、3；
6. 最后执行子进程m-p1-p2-p3，直接输出3。m-p1-p2-p3执行完毕。
所以：该结果为1、2、4、2、4、1、2、3、3、2、3、3.
(2) 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。
所编写的程序如下：
编译运行得到的结果如下：
注意：可能的结果有多种，这里选取上图的结果来分析。
原因：
- 首先创建父进程main，执行相应代码，先创建一个子进程m-p1，然后执行if判断，此时pid1不为0，创建子进程m-p2，继续执行if判断，此时pid2不为0，所以输出a，父进程main执行完毕。
- 接着子进程m-p1和m-p2竞争，先执行m-p2，此时pid2为0，所以输出c，子进程m-p2执行完毕。
- 最后执行子进程m-p1，此时pid1为0，输出b，m-p1执行完毕。
所以：输出结果为acb
(3) 下面程序将在屏幕上输出的字符X、数字1和0各多少个？为什么？
编译运行得到的结果如下：
分析出现该结果的原因：
- 首先创建父进程main，执行相应代码，先创建子进程m-p1，此时a=1，进入for循环输出两个X，执行if判断，此时pid不为0，所以不输出a的值，main执行完毕，此过程输出XX。
- 接下来执行子进程m-p1，此时直接进入for循环，不会改变a的值，即之前父进程main对a赋值为1的语句不会在子进程中执行，a还是为0，进入for循环后输出两个X，然后执行if判断，此时pid为0所以输出a的值为0，m-p1执行完毕，此过程输出XX0。
所以：输出结果为XXXX0
(4) 如果将上面(3)的main函数修改如下，则屏幕上输出的字符X、数字1和0各多少个？为什么？
编译运行得到的结果如下：
注意得到的结果可能不止一个，这里选取上图所得的结果来分析。
可能原因：由于输出X的时候是没有换行的，输出X的时候是将X保存在一个缓冲区里等程序结束后才输出的，在fork()调用时会复制缓冲区，因此父进程在第一次循环创建一个子进程时，这个子进程的缓冲区已经有了一个X，之后再输出一个X，也就是这个子进程也会输出两个X。
由程序代码分析可知父子进程共有4个，所以共有8个X被输出，父进程的pid[0]和pid[1]都不为0，所以不会输出a的值，而三个子进程中一个pid[0]==0，a=1；一个子进程pid[1]==0，a=1；另一个子进程pid[0]==pid[1]==0，但是a=0，所以输出结果中有两个1和两个0
所以：输出结果为XXXX1 XX1 XX0 0
②信号处理实验
(a)编写一段程序，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（即按Ctrl C键），当捕捉到中断信号后，父进程调用kill()向两个子进程发出信号，子进程捕捉到信号后，分别输出下面信息后终止：
child process 1 is killed by parent!
child process 2 is killed by parent!
父进程等待两个子进程终止后，输出以下信息后终止：
parent process is killed!
所编写的程序如下图：
编译运行所得结果如图：满足实验要求。（不止这种结果）
(b)在上述(a)中的程序中增加语句
signal(SIGINT, SIG_IGN) 和
signal(SIGQUIT, SIG_IGN)，观察执行结果并分析原因。这里
signal(SIGINT, SIG_IGN) 和
signal(SIGQUIT, SIG_IGN)分别为忽略“Ctrl Z”键信号以及忽略“Ctrl C”中断信号。
加入两个signal的代码如下：
编译运行的结果如下图：出现该结果的原因是按ctrl c键会被忽略，由于子进程m-p1先被创建，此时会先执行m-p1输出第一条child1，然后再执行m-p2输出第二条child2，最后执行main输出parent
③进程间共享内存实验
完成第三章练习3.10的程序，利用共享内存的方法调用子进程来输出斐波那契数列。
根据要求编写的程序代码如下图：
编译运行可得到下面的结果：注意这里需要加上参数，可以得出程序编写正确，实现了进程间共享内存。
④实现shell的要求
实验要求：
完成课本上第三章的项目：实现shell。除此之外满足下面要求：
- 在shell下，按ctrl c时不会终止shell；
- 实现程序的后台运行。
根据老师的指导课件，可编写下面的程序实现简单shell
编译运行可得到下面的结果：
命令ls -l:七个字段分别为：
文件属性 文件inode数量 所有者 所属用户组 文件大小 修改时间 文件名
命令ls -L -R:列出某文件夹下的所有文件和目录的详细信息
创建一个新目录并删除(这里先前建了个helloworld.cpp):
编译运行helloworld.cpp然后运行可执行文件helloworld:
按下ctrl c输出命令的历史记录:
输入命令，后面紧接着&，可以使命令在后台运行(光标停止在下一行，不会出现COMMAND->):
最后按下ctrl d退出程序。
五、 实验总结
- 第一个实验是关于创建进程的实验，刚开始接触进程，对进程之间的相互竞争非常陌生，尤其看到同一个程序出现了很多种结果感觉很不可思议，最后仔细分析出现每一种结果的原因初步认识了进程间的相互竞争。
- 第二个实验是关于信号处理的实验。根据老师的指导代码，可编写出正确的程序，进一步理解了进程之间的竞争以及程序处理信号的机制。
- 第三个实验是关于进程间共享内存的实验，初步认识进程间如何通过内存共享进行通信。本身斐波那契数列是常见的算法，但是在此题中我们需要思考数据的处理，怎么让一个进程的数据段分享给另一个进程，让另一个进程使用相同的数据并返回给原进程。通过老师的指导课件，我们知道shmget用来创建或打开共享存储区，shmat用来连接共享存储区，shmdt用来拆除共享存储区连接，shmctl用来共享存储区控制，所以可通过这些函数实现共享内存。
- 第四个是实现一个简单shell的实验。这个比较有难度，还好老师提供的指导代码很多，我们只要实现ctrl c输出历史记录中的命令以及其他一些基本东西。 主要的困难在于怎么存储这些记录，这里费了好多功夫理解，最后采用了一个二维数组来存储。具体代码可见上面第四部分的图或者代码文件夹中。
通过这次实验，我加深了对进程的理解，深刻理解进程之间的竞争与通信！