操作系统进程实验
华中农业大学 学生实验报告
日期： 2019 年 11 月 28 日 成绩
课程名称 计算机操作系统 实验名称 进程控制与通信 实验类型 验证 设计
综合 创新
【实验目的】
实验目的：1、掌握进程的概念，明确进程和程序的区别。
2、认识和了解并发执行的实质。
3、分析进程争用资源的现象，学习解决进程互斥的方法。
实验要求：linux 环境下完成实验
【实验内容】
(一) 进程控制
(二) 进程间通信
（1） 信号量机制实验
（2） 进程的管道通信实验
（3） 消息的发送与接收实验
（4） 共享存储区通信
【实验环境】（含主要设计设备、器材、软件等）
Pc电脑一台
【实验步骤、过程】（含原理图、流程图、关键代码，或实验过程中的记录、数据等）
内容:
(一) 进程控制
1、进程的创建（必做题） 编写一段程序，使用系统调用 fork( )创建两个子进程，在系统中有一个父进程和两个子进程 活动。让每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“c”。 试观察记录屏幕上的显示结果，并分析原因。
原因是：在执行到fork（）之前，只有一个进程在运行，执行到fork（）后，父进程产生子进程，父进程的返回值大于0，子进程的返回值等于0，用于区分父子进程；之后父子进程并行执行并没有先后顺序之分（取决操作系统），所以使得运行结果不同。
2、 修改已编写的程序，将每个进程的输出由单个字符改为一句话，再观察程序执行时屏幕上出现 的现象，并分析其原因。（必做题）
原因跟上一道题目类似，父进程产生两个并行的子进程，两个子进程执行的顺序不能确定。
3、编写程序创建进程树如图 1 和图 2 所示，在每个进程中显示当前进程识别码和父进程识别码。（必 做题）
【思考题】
1、 系统是怎样创建进程的？
申请空白PCB
为新进程分配资源
初始化进程控制块（初始化标识信息，初始化处理机状态信息，初始化处理机控制信息）
将新进程插入就绪队列
2、 当首次调用新创建进程时，其入口在哪里？
进程的进程控制块（PCB）结构中的指向其TTS（任务状态段）的指针。
3、 当前运行的程序（主进程）的父进程是什么？
当前运行程序的父进程是应该是该进程的上一个进程
(二) 进程间通信
（1） 信号量机制实验
1.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 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!
结果：
实验要求：
（1）、运行程序并分析结果。
结果分析：在父进程产生两个进程之前，就对父进程进行signal设置，因为signal函数的意义就是如果产生了SIGINT信号，就会执行stop指令。于是结束了waiting（）等待的指令产生了中断处理，而子进程同样也会相应产生中断。
（2）、如果把 signal(SIGINT,stop)放在①号和②号位置，结果会怎样并分析原因。
结果分析：根据signal的位置不同，发现结果完全不同，究其原因还是fork（）函数会使得子进程集成父进程的所有信息包括软中断的信息，所以使得不同的位置控制不同的子进程。
（3）、该程序段前面部分用了两个 wait(0),为什么？
等待子进程运行结束。如果子进程没有完成，父进程一直等待。wait( )将调用进程挂起，直至 其子进程因暂停或终止而发来软中断信号为止。如果在 wait( )前已有子进程暂停或终止，则调用 进程做适当处理后便返回。
（4）、该程序段中每个进程退出时都用了语句 exit(0),为什么？
终止进程的执行。
2、修改上面的程序，增加语句 signal(SIGINT,SIG_IGN)和语句 signal(SIGQUIT,SIG_IGN)，再观察 程序执行时屏幕上出现的现象，并分析其原因。
大体上的理解与上一题类似，但是注意后一句的signal 对之前设置的有覆盖作用。
3.编程用 fork()创建一个子进程代表售票员，司机在父进程中，再用系统调用 signal()让父进程 （司机）捕捉来自子进程（售票员）发出的中断信号，让子进程（售票员）捕捉来自（司机）发出 的中断信号，以实现进程间的同步运行
（2） 进程的管道通信实验
编制一段程序，实现进程的管道通信。使用 pipe()建立一条管道线。两个子进程 p1 和 p2 分别 向管道各写一句话：
Child 1 is sending message! Child 2 is sending 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。
分析结果：所谓管道，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。由写进程从管道的写入端（句柄 1）将数据写入管道，而读进 程则从管道的读出端（句柄 0）读出数据。所以两个子进程往fd[1]中写入内容，父进程从fd[0]中读取，所以才会有如上结果。
2．在父进程中用 pipe()建立一条管道线，往管道里写一句话，两个子进程接收这句话。
（3） 消息的发送与接收实验
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。
程序说明：
① 为了便于操作和观察结果，编制二个程序 client.c 和 server.c，分别用于消息的发送与接收。
② server 建立一个 Key 为 75 的消息队列，等待其它进程发来的消息。当遇到类型为 1 的消息，则 作为 结束信号，取 消该队列 ，并退 出 server。server 每接收 到一个消 息后显示一句 “(server)received。”
③client 使用 key 为 75 的消息队列，先后发送类型从 10 到 1 的消息，然后退出。最后一个消息，即是 server 端需要的结束信号。
2、 在父进程中创建一个消息队列，用 fork 创建一个子进程，在子进程中将一条消息传送至消息队 列，父进程接受队列的消息，并将消息送屏幕显示。
- msgget( )
创建一个消息，获得一个消息的描述符。核心将搜索消息队列头表，确定是否有指定名字的消 息队列。若无，核心将分配一新的消息队列头，并对它进行初始化，然后给用户返回一个消息队列 描述符，否则它只是检查消息队列的许可权便返回。 系统调用格式：
msgqid=msgget(key,flag)
该函数使用头文件如下：
#include
#include
#include参数定义 int msgget(key,flag)
key_t key; int flag; 其中：key 是用户指定的消息队列的名字；flag 是用户设置的标志和访问方式。
如 IPC_CREAT |0400 是否该队列已被创建。无则创建，是则打开；
IPC_EXCL |0400 是否该队列的创建应是互斥的。
msgqid 是该系统调用返回的描述符，失败则返回-1。 - msgsnd（）
发送一消息。向指定的消息队列发送一个消息，并将该消息链接到该消息队列的尾部。
系统调用格式： msgsnd(msgqid,msgp,size,flag) 该函数使用头文件如下： #include
#include
#include
参数定义： int msgsnd(msgqid,msgp,size,flag)
int msgqid,size,flag;
struct msgbuf * msgp;
其中 msgqid 是返回消息队列的描述符
；msgp 是指向用户消息缓冲区的一个结构体指针。缓冲 区中包括消息类型和消息正文，即
{
long mtype; /消息类型/
char mtext[ ]; /消息的文本/
} size 指示由 msgp 指向的数据结构中字符数组的长度；即消息的长度。这个数组的最大值由 MSG-MAX( )系统可调用参数来确定。
flag 规定当核心用尽内部缓冲空间时应执行的动作:进程是等 待，还是立即返回。若在标志 flag 中未设置 IPC_NOWAIT 位，则当该消息队列中的字节数超过最大 值时，或系统范围的消息数超过某一最大值时，调用 msgsnd 进程睡眠。若是设置 IPC_NOWAIT，则 在此情况下，msgsnd 立即返回。
对于 msgsnd( )，核心须完成以下工作：
（1）对消息队列的描述符和许可权及消息长度等进行检查。若合法才继续执行，否则返回；
（2）核心为消息分配消息数据区。将用户消息缓冲区中的消息正文，拷贝到消息数据区；
（3）分配消息首部，并将它链入消息队列的末尾。在消息首部中须填写消息类型、消息大小和指向 消息数据区的指针等数据； （4）修改消息队列头中的数据，如队列中的消息数、字节总数等。最后，唤醒等待消息的进程。 - msgrcv( )
接受一消息。从指定的消息队列中接收指定类型的消息。 系统调用格式： msgrcv(msgqid,msgp,size,type,flag) 本函数使用的头文件如下：
#include
#include
#include参数定义：
int msgrcv(msgqid,msgp,size,type,flag)
int msgqid,size,flag;
struct msgbuf *msgp;
long type;
其中，msgqid,msgp,size,flag 与 msgsnd 中的对应参数相似，type 是规定要读的消息类型，flag 规定倘若该队列无消息，核心应做的操作。如此时设置了 IPC_NOWAIT 标志，则立即返回，若在 flag 中设置了 MS_NOERROR，且所接收的消息大于 size，则核心截断所接收的消息。
对于 msgrcv 系统调用，核心须完成下述工作：
（1）对消息队列的描述符和许可权等进行检查。若合法，就往下执行；否则返回；
（2）根据 type 的不同分成三种情况处理：
type=0，接收该队列的第一个消息，并将它返回给调用者；
type 为正整数，接收类型 type 的第一个消息；
type 为负整数，接收小于等于 type 绝对值的最低类型的第一个消息。
（3）当所返回消息大小等于或小于用户的请求时，核心便将消息正文拷贝到用户区，并从消息队列 中删除此消息，然后唤醒睡眠的发送进程。但如果消息长度比用户要求的大时，则做出错返回。 - msgctl( )
消息队列的操纵。读取消息队列的状态信息并进行修改，如查询消息队列描述符、修改它的许 可权及删除该队列等。 系统调用格式： msgctl(msgqid,cmd,buf);
本函数使用的头文件如下：
#include
#include
#include
参数定义： int msgctl(msgqid,cmd,buf);
int msgqid,cmd;
struct msgqid_ds *buf;
其中，函数调用成功时返回 0，不成功则返回-1。buf 是用户缓冲区地址，供用户存放控制参数 和查询结果；cmd 是规定的命令。命令可分三类：
（1）IPC_STAT。查询有关消息队列情况的命令。如查询队列中的消息数目、队列中的最大字节数、 最后一个发送消息的进程标识符、发送时间等；
（2）IPC_SET。按 buf 指向的结构中的值，设置和改变有关消息队列属性的命令。如改变消息队列 的用户标识符、消息队列的许可权等；
（3）IPC_RMID。消除消息队列的标识符。
（4） 共享存储区通信
1、编制一长度为 1k 的共享存储区发送和接收的程序。
<程序说明>
1.为了便于操作和观察结果，用一个程序作为“引子“，先后 fork()两个子进程，server 和 client， 进行通信。
2.server 端建立一个 key 为 75 的共享区，并将第一个字节置为-1，作为数据空的标志。等待其他 进程发来的消息。当该字节的值发生变化时，表示收到了信息，进行处理。然后再次把它的值设为 -1，如果遇到的值为 0，则视为为结束信号，取消该队列，并退出 server。server 每接收到一次数 据后显示“(server)received”。
3.client 端建立一个 key 为 75 的共享区，当共享取得第一个字节为-1 时，server 端空闲，可发送 请求。client 随即填入 9 到 0。期间等待 server 端的再次空闲。进行完这些操作后，client 退出。 client 每发送一次数据后显示“(client)sent”。
4.父进程在 server 和 client 均退出后结束。
对共享存储的理解首先要知道需要先在共享存储区内申请一块区域，用来接收要写的信息。
之后建立链接，把共享存储区的内容映射到虚空间内。shmget( ) 创建、获得一个共享存储区。shmat( ) 共享存储区的附接。从逻辑上将一个共享存储区附接到进程的虚拟地址空间上。shmdt( ) 把一个共享存储区从指定进程的虚地址空间断开。
3、 编程在主进程中创建两个子进程，在子进程 shmw()中创建一个系统 V 共享内存区，并在其中写 入格式化数据；在子进程 shmr()中访问同一个系统 V 共享内存区，读出其中的格式化数据。
【实验结果或总结】（对实验结果进行相应分析，或总结实验的心得体会，并提出实验的改进意见）
进程控制 总结：
- 更深刻的理解了fork()函数以及父子进程的执行的无序性。
- 对linux环境有了更深刻的认识。
软中断 总结：
1.更深刻的懂得fork（）的继承性。
2.对软中断的各个函数有了了解。
3.进一步了解信号与中断的联系与区别。
管道通信 总结：
1.了解了pipe 文件建立
2.注意管道内容只能输送一次
消息传送机理 总结：
1.重点掌握消息传递的原理
2.掌握消息传递的思想
3.掌握消息传递的各个函数
4.消息传递机制较为重要
共享存储机制 总结：
1.懂得了共享存储机制的原理
2.了解了共享存储机制的函数
通过这次实验对理论课上所讲的fork（）函数以及软中断等方法有了更深刻的认识。