2021-10-08 操作系统实验1——fork实验

一、实验目的

加深对进程概念的理解，明确进程与程序的区别，并认识并发执行的实质。

二、实验要求

1. 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。让每个进程在屏幕上显示一个字符，父进程显示“a”；子进程1显示“b”；子进程2显示“c”。多运行几次，观察并分析显示结果。
2. 修改程序，将每个进程输出一个字符改为每个进程输出一句话，观察分析显示结果；
3. 如果在父进程fork之前，输出一句话，这句话后面不加“\n”或加“\n”，结果有什么不同，为什么？
4. 如果在程序中使用系统调用lockf来给临界资源加锁，可以实现临界资源的互斥访问。将lockf加在输出语句前后运行试试；将一条输出语句变成多条输出语句，将lockf语句放在循环语句外部或内部试试，观察显示结果并分析原因。
5. 以上各种情况都多运行几次，观察每次运行结果是否都一致？为什么？

三、实验过程

1. 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。让每个进程在屏幕上显示一个字符，父进程显示“a”；子进程1显示“b”；子进程2显示“c”。多运行几次，观察并分析显示结果。

   源程序：

   #include 
   #include 
   #include 
   int main()
   {
      pid_t pid1, pid2;
      while ((pid1 = fork()) == -1);
      if (pid1 == 0) printf("b");
      else
      {
         while ((pid2 = fork()) == -1);
         if (pid2 == 0) printf("c");
         else printf("a");
      }
      return 0;
   }
   

   

   分析：
   程序输出为’bca’，其中’b’为pid1的输出，’c’为pid2的输出，’a’为父进程的输出。
   首先在执行语句pid1 = fork()时，创建了子进程pid1，此时打印’b’；
   然后在执行语句pid2 = fork()时，创建了子进程pid2，此时打印’c’；
   最后父进程运行，打印’a’。
   程序运行多次，发现结果一致，并未有改变。
   原因可能是我的操作系统（CentOS5.5）总是按照如上的顺序进行运行。

2. 修改程序，将每个进程输出一个字符改为每个进程输出一句话，观察分析显示结果；

   源程序：

   #include 
   #include 
   #include 
   
   int main()
   {
      pid_t pid1, pid2;
      while ((pid1 = fork()) == -1);
      if (pid1 == 0) printf("pid1 here : b\n");
      else
      {
         while ((pid2 = fork()) == -1);
         if (pid2 == 0) printf("pid2 here : c\n");
         else printf("father progress here : a\n");
      }
      return 0;
   }
   

   

   结果和（1）问类似，先由子进程pid1输出，再由子进程pid2输出，最后父进程输出。

3. 如果在父进程fork之前，输出一句话，这句话后面不加“\n”或加“\n”，结果有什么不同，为什么？

   源代码：

   #include 
   #include 
   #include 
   
   int main()
   {
      pid_t pid1, pid2;
      printf("This is a sentence.");
      // printf("This is a sentence.\n");
      while ((pid1 = fork()) == -1);
      if (pid1 == 0) printf("pid1 here : b\n");
      else
      {
         while ((pid2 = fork()) == -1);
         if (pid2 == 0) printf("pid2 here : c\n");
         else printf("father progress here : a\n");
      }
      return 0;
   }
   

   不加’\n’：

   

   加上’\n’：

   

   结果不同：
   第一种情况每个进程都打印了This is a sentence.这句话，而第二种情况只打印了一次。

   查阅相关资料后进行分析：
   （1）不加’\n’：
   由于输出时，我们要将内存中的数据输出到磁盘中，系统会先将要printf的内容存到磁盘缓冲区buffer，也就是将This is a sentence.这句话写入buffer。而子进程会继承父进程的buffer内容，于是在子进程中也会打印这句话，第1个子进程会输出，第2个子进程也会输出。

   （2）加’\n’：
   系统检测到“\n”会自动清空缓冲区，于是子进程继承父进程时，缓冲区里面没有要打印这句话的信息，于是在2个子进程中只分别输出c和b。

4. 如果在程序中使用系统调用lockf来给临界资源加锁，可以实现临界资源的互斥访问。将lockf加在输出语句前后运行试试；将一条输出语句变成多条输出语句，将lockf语句放在循环语句外部或内部试试，观察显示结果并分析原因。
   （1）直接对stdout加锁，发现和之前的输出没有区别，因为进行互斥约束后仍然可以访问stdout中的资源：

   #include 
   #include 
   #include 
   
   int main()
   {
      pid_t pid1, pid2;
      while ((pid1 = fork()) == -1);
      if (pid1 == 0)
      {
         lockf(1, 1, 0);
         printf("pid1 here : b\n");
         lockf(1, 0, 0);
      }
      else
      {
         while ((pid2 = fork()) == -1);
         if (pid2 == 0)
         {
            lockf(1, 1, 0);
            printf("pid2 here : c\n");
            lockf(1, 0, 0);
         }
         else
         {
            lockf(1, 1, 0);
            printf("father progress here : a\n");
            lockf(1, 0, 0);
         }
      }
      return 0;
   }
   

   

   （2）进行循环访问并在内部加锁，发现子进程pid1先执行5次输出，然后轮到pid2，最后是parent输出：

   #include 
   #include 
   #include 
   
   int main()
   {
      pid_t pid1, pid2;
      while ((pid1 = fork()) == -1);
      if (pid1 == 0)
      {
         for (int i = 0; i < 5; ++i)
         {
            lockf(1, 1, 0);
            printf("pid1 here : %d\n", i);
            lockf(1, 0, 0);
         }
      }
      else
      {
         while ((pid2 = fork()) == -1);
         if (pid2 == 0)
         {
            for (int i = 0; i < 5; ++i)
            {
               lockf(1, 1, 0);
               printf("pid2 here : %d\n", i);
               lockf(1, 0, 0);
            }
         }
         else printf("father progress here : a\n");
      }
      return 0;
   }
   

   

   （3）进行循环访问并在外部加锁，发现输出情况一样：

   #include 
   #include 
   #include 
   
   int main()
   {
      pid_t pid1, pid2;
      while ((pid1 = fork()) == -1);
      if (pid1 == 0)
      {
         lockf(1, 1, 0);
         for (int i = 0; i < 5; ++i)
            printf("pid1 here : %d\n", i);
         lockf(1, 0, 0);
   
      }
      else
      {
         while ((pid2 = fork()) == -1);
         if (pid2 == 0)
         {
            lockf(1, 1, 0);
            for (int i = 0; i < 5; ++i)
               printf("pid2 here : %d\n", i);
            lockf(1, 0, 0);
         }
         else printf("father progress here : a\n");
      }
      return 0;
   }
   

   

   （4）上锁后令进程进行短暂休眠，发现pid1和pid2交替输出，并且父进程不是最后输出：

   #include 
   #include 
   #include 
   
   int main()
   {
      pid_t pid1, pid2;
      while ((pid1 = fork()) == -1);
      if (pid1 == 0)
      {
         for (int i = 0; i < 5; ++i)
         {
            lockf(1, 1, 0);
            printf("pid1 here : %d\n", i);
            lockf(1, 0, 0);
            sleep(1);
         }
      }
      else
      {
         while ((pid2 = fork()) == -1);
         if (pid2 == 0)
         {
            for (int i = 0; i < 5; ++i)
            {
               lockf(1, 1, 0);
               printf("pid2 here : %d\n", i);
               lockf(1, 0, 0);
               sleep(1);
            }
         }
         else printf("father progress here : a\n");
      }
      return 0;
   }
   

   

   分析：
   pid1进程先用lockf(1,1,0)锁上stdout，执行输出之后，立即用lockf(1,0,0)释放stdout,而此时进程休眠了1秒，没有立即又给stdout加锁，在休眠的这段时间，pid2可以获得stdout资源，于是pid2执行输出；同理，pid2加锁，输出，释放锁之后一样也执行了休眠，于是pid1可以获得stdout资源，于是就出现了两个进程交替执行输出的情况。

5. 以上各种情况都多运行几次，观察每次运行结果是否都一致？为什么？
   不都一致，原因是OS对进程执行的顺序管理和访问互斥共同造成的，具体分析如上。

四、思考

系统是如何创建进程？当父进程fork子进程后，父进程和子进程从程序什么位置开始执行？为什么？

（1）首先创建父进程，再根据父进程创建子进程。具体而言，是首先通过内核调用sys_clone来完成，先对父进程的数据和环境进行复制，然后修改新进程的一些属性，之后通过do_fork函数和ret_from_fork函数完成对新进程的创建以及运行。

（2）经过资料查阅，个人认为，fork创建的父子进程并不保证任何有规律的执行顺序。不同linux，不同的系统配置环境，不同的系统负载下很可能结果不一样。

（3）从实验的结果来推测，子进程和父进程都从调用fork函数的下一条语句开始执行。因为程序的顺序执行，也很难想象会从之前的语句重新执行。