操作系统实验（二）——进程通信与置换算法
目录
一、实验内容
二、实验成果与结论
2.1 进程的软中断通信
2.1.1 关于lockf函数的研究
2.1.2 改进方法
2.1.3 实验结论
2.2 进程中的管道通信
2.2.1 管道的创建与关闭
2.2.2 read函数
2.2.3 write函数
2.2.4 管道通信的最终实现：
2.2.5 结论
2.3 置换算法
2.3.1 FIFO算法
2.3.2 LRU算法
一、实验内容
1、完成进程的软中断通信；
2、完成进程的管道通信；
3、内存分配与回收；
二、实验成果与结论
2.1 进程的软中断通信
为了解决中断处理执行过长和中断丢失的问题Linux将中断分为了上下两个部分：
·上半部用来快速处理中断，在中断禁止模式下运行，主要处理跟硬件紧密相关的或时间敏感的工作；
·下半部分用来延迟处理上半部未完成的工作，通常以内核线程的方式运行。
软中断信号（signal）用来通知进程发生了什么，软件之间可以调用kill来发送软中断信号。
#include
#include
#include
#include
#include
void waiting(),stop(),alarming();
int wait_mark;
int main()
{
int p1,p2;
if(p1=fork())//创建子进程p1
{
if(p2=fork())//创建子进程p2
{
wait_mark=1;
//设置信号的处理方式。
signal(SIGINT,stop); //接收到键盘中断信号，转stop函数
signal(SIGALRM,alarming);//接受SIGALRM,转alarming函数
//设置程序对信号的处理方式。
kill(p1,16); //向p1发软中断信号16
kill(p2,17); //向p2发软中断信号17
wait(0);
wait(0);//同步,等待前面的所有子进程全部执行完才继续
printf("parent process is killed!\n");
exit(0);//进程自我终止
}
else
{
wait_mark=1;
signal(17,stop);
signal(SIGINT,SIG_IGN);//如果发生SIGINT信号则中断，转去执行SIG_IGN函数。
printf("child process2 is killed by parent!\n");
exit(0);//进程自我终止
}
}
else
{
wait_mark=1;
signal(16,stop);
signal(SIGINT,SIG_IGN);//如果发生SIGINT信号则中断，转去执行SIG_IGN函数。
printf("child process1 is killed by parent!\n");
exit(0);
}
return 0;
}
void alarming()
{
wait_mark=0;
}
void stop()
{
wait_mark=0;
} 我们对源码进行分析：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，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：
child process1 is killed by parent!
child process2 is killed by parent!父进程等待两个子进程终止之后，输出以下信息后终止：
parent process is killed!该段程序中使用了大量的signal函数，具体的做出解释：
SIGINT——程序终止信号，用户键入Ctrl+C发出，用于通知前台进程组终止进程。
SIGALRM ——安装SIGALRM信号之后就可以利用Linux提供的
定时器功能该定时器提供了以秒为单位的定时功能。在定时器设置的超时时间到达后，调用alarm的进程将收到SIGALRM信号。
因此，当我们执行程序时，会出现下面的情况：
2.1.1 关于lockf函数的研究
lockf()函数：对指定区域（有size指示）进行加锁或解锁，以实现进程的同步或互斥。
lockf（fd，mode，size）其中：
·fd：文件描述字；
·mode：锁定方式，mode=1表示加锁，mode=0表示解锁；
·size：指定文件fd的指定区域，用0表示从当前位置到文件结尾。
可以设计一个程序达成实验目的：首先在父进程中创建了一个子进程，子进程需要输出3次文本信息，并且在输出语句执行之前，将标准输出设备锁住，在输出语句执行之后，将标准输出设备解锁。同样，父进程也是要输出3次文本信息，对标准输出的操作同子进程。
因此，我们预期，实验结果不会出现在输出“Parents process: a”的时候，中间穿插有“This is child process : b”
#include
#include
#include
int main()
{
int pid ,i;
if((pid = fork())<0)
{
printf("child fails to create\n");
return 0;
}
else if (pid ==0)
{
lockf(1,1,0);
for(i = 0;i<3;i++)
printf("This is child (pid = %d)process:b\n",getpid());
lockf(1,0,0);
return 0;
}
else
{
lockf(1,1,0);
for(i =0;i<3;i++)
printf("Parent process:a\n");
lockf(1,0,0);
}
} 实验结果如下：
因此，我们可以认为lockf()函数具有实现进程互斥的功能
2.1.2 改进方法
按照ppt中的代码进行实验，我们会发现得到的结果并不完全满足预期，会出现“child process1 is killed by parent!”和“child process2 is killed by parent!”的输出顺序发生替换。这是因为两个子进程收到信号和退出的顺序发生了替换导致的，因此我们利用lockf函数实现进程之间的互斥和同步。
#include
#include
#include
#include
#include
void waiting(),stop(),alarming();
int wait_mark;
int main()
{
int p1,p2;
if(p1=fork())//创建子进程p1
{
if(p2=fork())//创建子进程p2
{
wait_mark=1;
//设置信号的处理方式。
signal(SIGINT,stop); //接收到键盘中断信号，转stop函数
signal(SIGALRM,alarming);//接受SIGALRM,转alarming函数
waiting();
//设置程序对信号的处理方式。
kill(p1,16); //向p1发软中断信号16
kill(p2,17); //向p2发软中断信号17
wait(0);
wait(0);//同步,等待前面的所有子进程全部执行完才继续
waiting();
printf("parent process is killed!\n");
exit(0);//进程自我终止
}
else
{
wait_mark=1;
signal(17,stop);
signal(SIGINT,SIG_IGN);//如果发生SIGINT信号则中断，转去执行SIG_IGN函数。
while (wait_mark!=0);
lockf(1,1,0);//上锁，完成进程互斥
printf("child process2 is killed by parent!\n");
lockf(1,0,0);//解锁
exit(0);//进程自我终止
}
}
else
{
wait_mark=1;
signal(16,stop);
signal(SIGINT,SIG_IGN);//如果发生SIGINT信号则中断，转去执行SIG_IGN函数。
while (wait_mark!=0)
lockf(1,1,0);//lockf(fd,1,0)是给fd文件上锁
printf("child process1 is killed by parent!\n");
lockf(1,0,0);//解锁
exit(0);
}
return 0;
}
void waiting()
{
sleep(5);//挂起
if (wait_mark!=0)
kill(getpid(),SIGALRM);
}
void alarming()
{
wait_mark=0;
}
void stop()
{
wait_mark=0;
} 2.1.3 实验结论
-
你最初认为运行结果会怎么样？
child process1 is killed by parent! child process2 is killed by parent! parnet process is killed ! -
实际的结果什么样？有什么特点？试对产生该现象的原因进行分析。
实际的实验结果并不满足预期，这是因为两个子进程收到信号和退出的顺序可能发生调换，子程序退出的顺序是不可预期的。其实质为进程执行的不可再现性和不可预知性。
-
kill 命令在程序中使用了几次？每次的作用是什么？执行后的现象是什么？
kill 系统调用在程序中使用了两次。
第一次是给子进程 1 发送 16 号软中断，执行后子进程 1 输出
child process1 is killed by parent!!之后退出。第二次是给子进程 2 发送 17 号软中断，执行后子进程 2 输出
child process2 is killed by parent!!之后退出。 -
使用kill 命令可以在进程的外部杀死进程。进程怎样能主动退出？这两种退出方式哪种更好一些？
使用
exit(错误码)可以使进程主动退出，错误码为零表示正常退出。我认为进程主动退出更好，因为进程可能持有了各种资源如文件、套接字、设备、互斥锁等。进程主动退出可以释放这些资源，避免资源没能正确释放导致系统进入异常状态。
-
如果程序运行，界面上显示“Child process 1 is killed by parent !! Child process 2 is killed by parent !!”，五秒之后显示“Parent process is killed !!”，怎样修改程序使得只有接收到相应的中断信号后再发生跳转，执行输出？
在两个子进程结束之后，调用sleep函数。
2.2 进程中的管道通信
进程与进程之间是相互独立的，各自运行在自己的虚拟内存之中，要想实现进程间通信就必须借助内核，在内核中开辟一个缓冲区，两个进程的信息在此区域进程交换或者传递。
在Linux系统中，常见的进程间通信有：管道通信、共享内存通信、信号量通信。本次实验使用管道通信。
管道主要用于父子进程或者兄弟进程之间的数据读取，命名管道可以在无关联的的进程间进程数据传递。值得注意的是，在Linux系统中的进程通信中，管道通信某一时刻只能单一方向传递数据，不能双向传递数据，采用半双工模式。
管道由Linux系统提供的pipe()函数创建，此函数只是创建了管道，要从管道中读取或写入数据，需要使用read()或write()函数，当管道通信结束之后，需要使用close()来关闭管道的读写端。
2.2.1 管道的创建与关闭
pipe()函数的原型为：int pipe(int filedes[2]);pipe()函数用于在内核中创建一个管道，在创建一个管道后，会获得一对文件描述符，用于读取和写入，然后将参数数组filedes中的两个值传递给获取到的两个文件描述符，filedes[0]指向管道的读端，filedes[1]指向写端。pipe()函数调用成功，返回值为0；否则返回-1，并且设置了适当的错误返回信息。
使用pipe（）实现管道通信：
（1）在父进程中调用pipe()函数创建一个管道，产生一个文件描述符filedes[0]指向管道的读端和另一个文件描述符filedes[1]指向管道的写端。
（2）在父进程中调用fork()函数创建一个子进程。父进程的文件描述符一个指向读端，一个指向写端。子进程同理。
（3）在父进程关闭指向管道写端的文件描述符filedes[1]，在子进程中，关闭指向管道读端的文件描述符filedes[0]。此时，就可以将子进程中的某个数据写入到管道，然后在父进程中，将此数据读出来。
2.2.2 read函数
read函数原型：ssize_t read(int fd,void *buf,size_t count)
函数返回值分为下面几种情况：
1、如果读取成功，则返回实际读到的字节数。这里又有两种情况：
一是如果在读完count要求字节之前已经到达文件的末尾，那么实际返回的字节数将 小于 count值，但是仍然大于0；
二是在读完count要求字节之前，仍然没有到达文件的末尾，这是实际返回的字节数等于要求 的count值。
2、如果读取时已经到达文件的末尾，则返回0。
3、如果出错，则返回-1。
2.2.3 write函数
·功能：向文件中写入数据
·头文件：#include
·函数原型：write(int fd, void *buf,size_t count)
·参数：fd：文件描述符；
buf：存放要写入的数据的缓冲区首地址；
count：想要写入的字节数
·返回值：大于0，成功写入；等于0，没写入；小于0，写入失败
2.2.4 管道通信的最终实现：
代码如下：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int pid1, pid2;
char buf[100];
int main() {
int fd[2];
pipe(fd);
lockf(fd[1], 0, 0);
while ((pid1 = fork()) == -1);
if (pid1 == 0) {
// 子进程 1
sprintf(buf, "1");
for (int i = 0; i < 200; i++) {
lockf(fd[1], 1, 0);
write(fd[1], buf, 1); // 向管道写入数据
lockf(fd[1], 0, 0);
sched_yield(); // 让出执行权限
}
exit(0);
} else {
while ((pid2 = fork()) == -1);
if (pid2 == 0) {
// 子进程 2
sprintf(buf, "2");
for (int i = 0; i < 200; i++) {
lockf(fd[1], 1, 0);
write(fd[1], buf, 1); // 向管道写入数据
lockf(fd[1], 0, 0);
sched_yield(); // 让出执行权限
}
exit(0);
} else {
wait(0);
wait(0);
read(fd[0], buf, 400); // 从管道中读出数据
printf("%s", buf);
exit(0); // 父进程结束
}
}
return 0;
} 运行结果如下：
可以认为成果达到实验目标。
2.2.5 结论
1.你最初认为运行结果会怎么样？
Child process 1 is sending message!
Child process 1 is sending message!
Child process 1 is sending message!
Child process 1 is sending message!
Child process 1 is sending message!
Child process 2 is sending message!
Child process 2 is sending message!
Child process 2 is sending message!
Child process 2 is sending message!
Child process 2 is sending message!- 实际的结果什么样？有什么特点？试对产生该现象的原因进行分析。
实际结果满足预期。看到进程 1 先创建，所以进程 1 先输出。推测由于进程 1 在循环中没有 主动让出时间片，直接一连输出了五次。
-
实验中管道通信是怎样实现同步与互斥的？如果不控制同步与互斥会发生什么后果？
通过
lockf()实现互斥。如果不控制互斥可能导致消息混乱，对于较短的消息（小于PIPE_BUF），Linux 内核保证了写入 pipe 的原子性。同时，对于读写进程，通过内核中的pipe缓冲区实现进程间同步；对于写者，pipe 满时阻塞写入，对于读者，pipe 空时阻塞读取，这样两个或多个进程之间可以实现同步。
2.3 置换算法
2.3.1 FIFO算法
FIFO 算法是一种比较容易实现的算法。它的思想是先进先出，这是最简单、最公平的一种思想，即如果一个数据是最先进入的，那么可以认为在将来它被访问的可能性很小。空间满的时候，最先进入的数据会被最早置换（淘汰）掉。
实现：维护一个FIFO队列，按照时间顺序将各数据（已分配页面）链接起来组成队列，并将置换指针指向队列的队首。再进行置换时，只需把置换指针所指的数据（页面）顺次换出，并把新加入的数据插到队尾即可。
缺点：判断一个页面置换算法优劣的指标就是缺页率，而FIFO算法的一个显著的缺点是，在某些特定的时刻，缺页率反而会随着分配页面的增加而增加，这称为Belady现象。产生Belady现象现象的原因是，FIFO置换算法与进程访问内存的动态特征是不相容的，被置换的内存页面往往是被频繁访问的，或者没有给进程分配足够的页面，因此FIFO算法会使一些页面频繁地被替换和重新申请内存，从而导致缺页率增加。因此，现在不再使用FIFO算法。
下面是具体实现：
这个说明一下为什么不用容器Queue。是因为queue并没有迭代器，所以无法去寻找里面是否含有某块页面。 直接使用线性表即可，方便简单且快速。实现代码如下：
#include
using namespace std;
#define MAX 20
class Work
{
public:
void seta()
{
int i = 0;
cout << "输入10个页面号,以任意符号结尾" << endl;
for(int i=0;i<10;i++)
{
cin>>a[i];
}
}
void geta()
{
cout << "10个页面号分别为: ";
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
cout << a[i] << " ";
}
cout << endl;
}
int index(int i)
{
return a[i];
}
~Work()
{
cout<<"work 已被释放"<>num;
space s(num);
a.seta();
a.geta();
FIFO(a,s);
return 0;
} 运行编译后，结果如下：
可以认为，达到实验目标。
2.3.2 LRU算法
LRU（The Least Recently Used，最近最久未使用算法）是一种常见的缓存算法，在很多分布式缓存系统（如Redis, Memcached）中都有广泛使用。
LRU算法的思想是：如果一个数据在最近一段时间没有被访问到，那么可以认为在将来它被访问的可能性也很小。因此，当空间满时，最久没有访问的数据最先被置换（淘汰）。
实现：最朴素的思想就是用数组+时间戳的方式，不过这样做效率较低。因此，我们可以用双向链表（LinkedList）+哈希表（HashMap）实现（链表用来表示位置，哈希表用来存储和查找）。在实现时将其主要衡量指标设定为使用的时间，附加指标设定为使用次数
LRU Cache具备的操作：
·set(key,value)：如果key在hashmap中存在，则先重置对应的value值，然后获取对应的节点cur，将cur节点从链表删除，并移动到链表的头部；若果key在hashmap不存在，则新建一个节点，并将节点放到链表的头部。当Cache存满的时候，将链表最后一个节点删除即可。具体可见下图：
·get(key)：如果key在hashmap中存在，则把对应的节点放到链表头部，并返回对应的value值；如果不存在，则返回-1。 具体代码实现如下：
#include
#include 在上面的程序中，我们设计的容器容量为2，key=2的热度为2，key=1的热度为1。因此，key=2在链表头部，key=1在链表尾部。当调用函数，令key=4时，将该节点插入链表头部，并删除链表尾部的key=1的节点。因此，预期输出结果为：
1 1 1 -1 1
实际输出结果如下：
可以认为达到目的。