操作系统实验：Linux下的进程控制实验

一、实验目的：

加深对进程概念的理解，明确进程和程序的区别；掌握Linux操作系统的进程创建和终止操作，体会父进程和子进程的关系及进程状态的变化；进一步认识并发执行的实质，编写并发程序。

二、实验平台：

虚拟机：VMWare15.5.1
操作系统：CentOS7 64位
编辑器：Vim
编译器：Gcc

三、实验内容：

1.进程的创建与销毁

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“身份信息”：父进程显示“Parent process! PID=xxx1 PPID=xxx2”；子进程显示“Childx process! PID=xxx PPID=xxx”。多运行几次，观察记录屏幕上的显示结果，并分析原因。
说明：
xxx1为进程号，用getpid()函数可获取进程号；
xxx2为父进程号，用getppid()函数可获取父进程号；
Childx中x为1和2，用来区别两个子进程；
wait()函数用来避免父进程在子进程终止之前终止。
实验主要代码：

//print.c
#include
int main(int argc,char *argv[])
{
	for(int i=0;i<argc;i++){
		printf("argv[%d]=%s\n",i,argv[i]);
	}
	printf("i am print.c,i am executed\n");
	return 0;
}

//example1.c
#include
#include
#include
int main(void)
{
	pid_t pid=fork();
	if(pid==0){   
		printf("Child1 process! PID=%d  PPID=%d \n",getpid(),getppid()); 
		if(execl("./print","print","hello",NULL)==-1) 
			printf("execl failed!");	
		printf("where am I?");
	}else if(pid>0){
		pid_t pid2=fork();
		if(pid2==0){
			printf("Child2 process! PID=%d  PPID=%d \n",getpid(),getppid());
		}else if(pid2>0){
			wait();
			printf("Parent process! PID=%d  PPID=%d \n",getpid(),getppid()); 
			exit(0);
		}else{
			printf("fork faild\n");
			exit(0);
		}
	}else{
		printf("fork faild\n");
		exit(0);
	}
}

实验过程：编辑print.c和example1.c两个文件，输入命令行对.c文件进行编译输出。
编译过程：#gcc print.c –o print
#gcc example1.c –o example1
运行截图如下：

进程控制相关函数

1.fork()
用于创建一个新进程（子进程）。
函数原型：
#include
pid_t fork(void);
返回：子进程中为0，父进程中为子进程ID，出错为-1。
子进程被创建后就进入就绪队列和父进程分别独立地等待调度。子进程继承父进程的程序段代码，子进程被调度执行时，也会和父进程一样从fork()返回。
从共享程序段代码的角度来看，父进程和子进程所执行的程序代码是同一个，在内存中只有一个程序副本；
但是从编程的角度来看，为了使子进程和父进程做不同的事，需要在程序中区分父进程和子进程的代码段。这需要借助于fork()的返回值来标志当前进程的身份。从fork()返回后，都会执行语句：pid=frok();
得到返回值pid有三种情况，分别对应出错（小于0）、在父进程中（大于0）、在子进程中（等于0）。
由于父进程和子进程各自独立地进入就绪队列等待调度，所以谁会先得到调度是不确定的，这与系统的调度策略和系统当前的资源状态有关。因此谁会先从fork()返回并继续执行后面的语句也是不确定的。


2.wait()
查询子进程的退出状态(即正常退出的退出码或导致异常终止的信号)，并回收子进程的内核资源。
函数原型：
#include
pid_t wait(int * status);
返回值：若成功则返回进程ID，若出错则返回-1。
Wait()函数常用来控制父进程和子进程的同步。在父进程中调用wait()函数，则父进程被阻塞，进入等待队列，等待子进程结束。当子进程结束时，会产生一个终止状态字，系统会向父进程发送SIGCHLD信号。当接到信号后，父进程提取子进程的终止状态字，从wait()函数返回继续执行原程序。


3. exit()
exit()是进程结束最常调用的函数，在main()函数中调用return，最终也是调用exit()函数。这些都是进程的正常终止。在正常终止时，exit()函数返回进程结束状态。
函数原型：
#include
void exit(int status)
从OS角度来看，进程终止会释放进程用户空间的所有资源，而进程描述符并不释放，它将来由其父进程回收。若父进程先于子进程终止，子进程成为“孤儿进程”，“孤儿进程”会被init进程（进程号为1）领养；若子进程先于父进程终止，子进程成为“僵尸进程”，父进程尚未对其进行善后处理(获取终止子进程的有关信息，释放它仍占用的资源)。
程序可以执行到main()的最后一个“}“结束，也可以运行exit();结束，也可以运行到return 0;结束。


4.execl()
系统调用execl()可以将新程序加载到某一进程的内存空间，该进程会从新程序的main()函数开始执行。
函数原型：
#include
int execl (const char * pathname, const char * arg0,…/*(char*)0*/)
pathname是要加载程序的全路径名，arg0及以后为参数列表。
进程的用户内存空间被替换，而进程的其他属性基本不改变。进程完整的内存空间：正文区、堆区、栈区、数据区都被替换，原内容不存在了。代码替换完后，在execl()后面的代码毫无意义。

实验结果分析

先后四次运行，根据输出分析实验结果：

①每次运行创建的子进程Childx process的PPID均为父进程Parent process的PID，说明两个子进程均为同一父进程创建。

②每次运行的父进程Parent process的PPID均为3105，说明父进程也以子进程的形式存在，其父进程为同一系统进程。

③我们注意第一个if代码段，调用了execl()函数，将当前进程child1替换掉，所以之后的"where am I?”字符串并没有被输出，child1进程从print程序的main()开始执行，输出两个传参以及一段字符串，最终在main()的return 0;后结束。

④进程创建后由于父进程和子进程各自独立地进入就绪队列等待调度，所以谁会先得到调度是不确定，实验数据可以看出child1进程先运行和child2进程先运行各出现两次。

⑤父进程代码段因为调用了wait()函数，等待子进程结束后函数返回继续执行原程序，输出相应信息，所以父进程字符串最后才输出。

2.多进程并发执行

fork()和exec()系列函数能同时运行多个程序，利用上述函数将下面单进程顺序执行的程序single.c改造成可并发执行3个进程的程序multi_process.c；并用time命令获取程序的执行时间，比较单进程和多进程运行时间，并分析原因。

//single.c
#include  
#define NUM 5 
int main(void) 
{ 
	void print_msg(char *m); 
	print_msg("Good "); 
	print_msg("Morning  "); 
	print_msg("007\n");  //将007替换为本人学号
	return 0; 
} 
void print_msg(char *m) 
{ 
	int i; 
	for(i = 0; i<NUM; i++){ 
		printf("%s",m); 
		fflush(stdout); 
		sleep(1);
	}
}

编译过程：#gcc single.c –o single
运行截图如下：

结果分析：单进程执行按次序依次打印五次三个字符串。
创建多个进程代码：

//print1.c
#include
#define NUM 5
int main(int argc,char *argv[])
{
	for(int i=0;i<NUM;i++){
		printf("%s\n",argv[1]);
		fflush(stdout);
		sleep(1);
	}
	return 0;
}

//multi_process.c
#include
#include
#include
int main(void){
	pid_t pid[3];
	int i;
	for(int i=0;i<3;i++){
		pid[i]=fork();
		if(pid[i]==0){
			break;//防止子进程再次创建子进程
		}
	}
	if(pid[0]==0){
		execl("print1","print","Good",NULL);	
	}else{
		if(pid[1]==0){
			execl("print1","print","Hello",NULL);		
		}else{
			if(pid[2]==0) execl("print1","print","201919044217",NULL);
			wait();
			wait();
			wait();//调用一次，只能回收一个子进程
			exit(0);
		}
	}
	return 0;
}

编译过程：#gcc print1.c –o print1
#gcc multi_process.c –o multi
运行截图如下：

time命令

time命令
linux下time命令可以获取到一个程序的执行时间，包括程序的实际运行时间(real time)，以及程序运行在用户态的时间(user time)和内核态的时间(sys time)。命令行执行结束时在标准输出中打印执行该命令行的时间统计结果，其统计结果包含以下数据：
1)实际时间(real time): 从command命令行开始执行到运行终止的消逝时间；
2)用户CPU时间(user CPU time): 命令执行完成花费的用户CPU时间，即命令在用户态中执行时间总和；
3)系统CPU时间(system CPU time): 命令执行完成花费的系统CPU时间，即命令在核心态中执行时间总和。
其中，用户CPU时间和系统CPU时间之和为CPU时间，即命令占用CPU执行的时间总和。实际时间要大于CPU时间，因为Linux是多任务操作系统，往往在执行一条命令时，系统还要处理其它任务。
用法：#time ./example

实验结果分析

多进程实验中因为是三个进程并发执行，所以时间上几乎是单个进程的1/3；因为是并发执行的，所以打印结果无序。

四、总结分析

通过两天的学习了解，从Linux系统虚拟机环境搭建，到vim编辑保存文本文件(其实我用的文本编辑器)，到用gcc编译.c文件，运行查看结果这一套流程，更加深刻了解了Linux系统下进程控制方式，以及多进程并发执行效果。