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[实验目的] 1、掌握进程的概念，明确进程的含义 2、认识并了解并发执行的实质 [实验学时] 2学时 [实验类型] 设计性 [实验内容] 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。让每一个进程在屏幕上显示一个字符：父进程显示'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。 2、修改上述程序，每一个进程循环显示一句话。子进程显示'daughter …'及'son ……'，父进程显示 'parent ……'，观察结果，分析原因。 [实验步骤] 一、进程 UNIX中，进程既是一个独立拥有资源的基本单位，又是一个独立调度的基本单位。一个进程实体由若干个区（段）组成，包括程序区、数据区、栈区、共享存储区等。每个区又分为若干页，每个进程配置有唯一的进程控制块PCB，用于控制和管理进程。 PCB的数据结构如下： 1、进程表项（Process Table Entry）。包括一些最常用的核心数据： 进程标识符PID、用户标识符UID、进程状态、事件描述符、进程和U区在内存或外存的地址、软中断信号、计时域、进程的大小、偏置值nice、指向就绪队列中下一个PCB的指针P_Link、指向U区进程正文、数据及栈在内存区域的指针。 2、U区（U Area）。用于存放进程表项的一些扩充信息。 每一个进程都有一个私用的U区，其中含有：进程表项指针、真正用户标识符u-ruid(read user ID)、有效用户标识符u-euid(effective user ID)、用户文件描述符表、计时器、内部I/O参数、限制字段、差错字段、返回值、信号处理数组。 由于UNIX系统采用段页式存储管理，为了把段的起始虚地址变换为段在系统中的物理地址，便于实现区的共享，所以还有： 3、系统区表项。以存放各个段在物理存储器中的位置等信息。 系统把一个进程的虚地址空间划分为若干个连续的逻辑区，有正文区、数据区、栈区等。这些区是可被共享和保护的独立实体，多个进程可共享一个区。为了对区进行管理，核心中设置一个系统区表，各表项中记录了以下有关描述活动区的信息： 区的类型和大小、区的状态、区在物理存储器中的位置、引用计数、指向文件索引结点的指针。 4、进程区表 系统为每个进程配置了一张进程区表。表中，每一项记录一个区的起始虚地址及指向系统区表中对应的区表项。核心通过查找进程区表和系统区表，便可将区的逻辑地址变换为物理地址。 二、进程映像 UNIX系统中，进程是进程映像的执行过程，也就是正在执行的进程实体。它由三部分组成： 1、用户级上、下文。主要成分是用户程序； 2、寄存器上、下文。由CPU中的一些寄存器的内容组成，如PC，PSW，SP及通用寄存器等； 3、系统级上、下文。包括OS为管理进程所用的信息，有静态和动态之分。 三、所涉及的系统调用 1、fork( ) 创建一个新进程。 系统调用格式： pid=fork( ) 参数定义： int fork( ) fork( )返回值意义如下： 0：在子进程中，pid变量保存的fork( )返回值为0，表示当前进程是子进程。 >0：在父进程中，pid变量保存的fork( )返回值为子进程的id值（进程唯一标识符）。 -1：创建失败。 如果fork( )调用成功，它向父进程返回子进程的PID，并向子进程返回0，即fork( )被调用了一次，但返回了两次。此时OS在内存中建立一个新进程，所建的新进程是调用fork( )父进程（parent process）的副本，称为子进程（child process）。子进程继承了父进程的许多特性，并具有与父进程完全相同的用户级上下文。父进程与子进程并发执行。 核心为fork( )完成以下操作： （1）为新进程分配一进程表项和进程标识符 进入fork( )后，核心检查系统是否有足够的资源来建立一个新进程。若资源不足，则fork( )系统调用失败；否则，核心为新进程分配一进程表项和唯一的进程标识符。 （2）检查同时运行的进程数目 超过预先规定的最大数目时，fork( )系统调用失败。 （3）拷贝进程表项中的数据 将父进程的当前目录和所有已打开的数据拷贝到子进程表项中，并置进程的状态为“创建”状态。 （4）子进程继承父进程的所有文件 对父进程当前目录和所有已打开的文件表项中的引用计数加1。 （5）为子进程创建进程上、下文 进程创建结束，设子进程状态为“内存中就绪”并返回子进程的标识符。 （6）子进程执行 虽然父进程与子进程程序完全相同，但每个进程都有自己的程序计数器PC(注意子进程的PC开始位置)，然后根据pid变量保存的fork( )返回值的不同，执行了不同的分支语句。 例：
fork( )调用前
四、参考程序  五、运行结果 1、bca，bac, abc ,……都有可能。 2、parent… son… daughter.. daughter.. 或 parent… son… parent… daughter…等 六、分析原因 除strace 外，也可用ltrace -f -i -S ./executable-file-name查看以上程序执行过程。 1、从进程并发执行来看，各种情况都有可能。上面的三个进程没有同步措施，所以父进程与子进程的输出内容会叠加在一起。输出次序带有随机性。 2、由于函数printf( )在输出字符串时不会被中断，因此，字符串内部字符顺序输出不变。但由于进程并发执行的调度顺序和父子进程抢占处理机问题，输出字符串的顺序和先后随着执行的不同而发生变化。这与打印单字符的结果相同。 补充：进程树 在UNIX系统中，只有0进程是在系统引导时被创建的，在系统初启时由0进程创建1进程，以后0进程变成对换进程，1进程成为系统中的始祖进程。UNIX利用fork( )为每个终端创建一个子进程为用户服务，如等待用户登录、执行SHELL命令解释程序等，每个终端进程又可利用fork( )来创建其子进程，从而形成一棵进程树。可以说，系统中除0进程外的所有进程都是用fork( )创建的。 [思考问题] （1）系统是怎样创建进程的？ （2）当首次调用新创建进程时，其入口在哪里？ [实验报告要求] 1．调试说明。包括：调试情况，如上机时遇到问题及解决办法，观察到的现象及其分析，对程序设计技巧的总结及分析等；程序的输出结果及对结果的分析；实验的心得体会，以及调试日期等需要记录的信息。 2．程序框图。 3．经教师签名的程序清单。 4.程序中使用的数据结构及符号说明。 5.程序运行时的初值和运行结果。 |
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