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【作业】操作系统实验一：进程和线程

article 2024/11/17 12:48:19

文章目录

实验内容
- 一、进程的创建
- - 1、编辑源程序
  - 2、编辑结果
  - 3、编译和运行程序
  - 4、解释运行结果
- 二、进程共享
- - 1、运行
  - 2、解释运行结果
- 三、进程终止
- - 1、运行
  - 2、解释运行结果
- 四、进程同步
- - 1、运行
  - 2、解释运行结果
- 五、Linux中子进程映像的重新装入
- - 1、运行
  - 2、解释运行结果
- 六、线程
- - 1、运行
  - 2、解释运行结果
- 七、共享资源的互斥访问
- - 1、运行
  - 2、解释运行结果

实验内容

一、进程的创建

编写一段源程序，使用系统调用fork()创建子进程，当此程序运行时，在系统中有父进程和子进程在并发执行。观察屏幕上的显示结果，并分析原因（源代码：forkpid.c）。

1、编辑源程序

在这里插入图片描述

2、编辑结果

在这里插入图片描述

3、编译和运行程序

在这里插入图片描述

4、解释运行结果

假设命令./forkpid创建的进程称为A，则A中的fork()调用会创建一个子进程，称为B。

fork()函数只在父进程A中成功被调用一次，但是在A和B两个进程中都会有返回值。成功创建子进程后，在父进程A中，fork的返回值为创建的子进程的pid；在子进程中，fork的返回值为0。

因此，if(p1==0)后面的代码块会在子进程中被执行，而else后面的代码块会在父进程中被执行。由上述运行结果可知，进程的创建关系如下。

pid: 389733 --> 390075(A) --> 390076(B)

那么还有一个问题，上述运行结果中的My parent is 1，岂不是说B进程的父进程pid是1？这不是矛盾了吗？根据我所查阅的资料，这是因为父进程A比子进程B先结束，B中查找自己的父进程时，父进程A已经不在了，会使用pid为1的进程代替。在Linux中，pid号为1的进程是所有进程的祖先进程。

参考：

https://blog.csdn.net/lein_wang/article/details/81946108 - 为什么父进程id是1
https://www.cnblogs.com/alantu2018/p/8526970.html - linux的 0号进程和 1 号进程

二、进程共享

父进程创建子进程后，父子进程各自分支中的程序各自私有，其余部分，包括创建前和分支结束后的程序段，均为父子进程共享。(源代码：forkshare_1.c)

1、运行

在这里插入图片描述

2、解释运行结果

根据运行结果我们很容易看出，进程调度顺序和上一节中一样，是先调度父进程再调度字进程。其中前三个字母xay是父进程的输出，后面三个字母xby则是子进程的输出。

可令人困惑不解的是，子进程不也应该从fork()返回的地方开始运行吗？那为什么'x'会被输出两次？我一时间有些蒙圈。

在查找资料后，我尝试了另一个示例，其中仅仅是将putchar('x')换成了printf("x\n")，而最主要的区别就是多了一个\n。下面是代码及其运行结果。

在这里插入图片描述

子进程会从fork()返回的地方开始执行，没有错。问题出在stdout缓冲区的机制上，在输出xayxby的示例中，运行putchar('x')语句并没有直接将x写到屏幕上，而仅仅是将x放到了缓冲里。随后运行fork()创建子进程，会将父进程的stdout缓冲区也复制一份，而复制的缓冲区中就包含了刚刚放入的x。这便是两个x从何而来。

而如果打印的内容中包含了\n，就会马上将内容写到屏幕上并刷新缓冲区，这便是为什么第二个示例中x只有一个。

参考：

https://blog.csdn.net/koches/article/details/7787468 - linux中fork–子进程是从哪里开始运行

三、进程终止

如果子进程在其分支结束处使用了进程终止exit()系统调用而终止执行，则不会再执行分支结束后的程序段。(源代码：forkshare_2.c)

1、运行

在这里插入图片描述

2、解释运行结果

子进程因为在分支中输出b后就exit()结束进程了，因此子进程不会输出后面的y，其它与上一节情况相同，不作多解释。

四、进程同步

当父进程有许多任务要做时，往往会针对每一个任务创建一个子进程去完成，然后再等待每一个子进程的终止。其同步关系是父进程等待子进程 (源代码：wait.c)。

实现的方法是：1）子进程终止时执行exit()向父进程发终止信号，2）父进程使用wait()等待子进程的终止。

1、运行

在这里插入图片描述

2、解释运行结果

前面三个程序都是父进程输出的 va在前而子进程输出的b在后，这次ba换子进程的输出在前了。

父进程中掉用wait(0)函数会立即阻塞自己，并等待子进程的退出。注意阻塞和空循环等待是有区别的，进程阻塞自己后会交出cpu的控制权。

不过，wait(0)和exit(0)中都有一个0，这个0是什么意思呢？其实这两个零并不是同一个东西，wait的函数头原型是int wait(int *status)，参数是一个int类型的指针，wait(0)其实相当于wait(NULL)，这个参数为NULL表示我们不关心子进程是如何退出的，只要退出就行。而如果你写成wait(1)，那么编译时候就会报错了，因为类型不匹配。

而exit(0)的参数是退出码，你完全可以使用任性地使用exit(123)退出子进程，并在父进程中仍然以wait(0)接收子进程的终止信号。

参考：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/549981187 - 入门篇：进程等待函数wait详解
https://blog.csdn.net/qustdjx/article/details/7704323 - wait()以及wait(&status)\ waitpid()
https://zhuanlan.zhihu.com/p/647776823 - Linux Shell 中的各种退出码
https://www.cnblogs.com/shikamaru/p/5359731.html - exit(0)、exit(1)、和return

五、Linux中子进程映像的重新装入

创建一个子进程，并给它加载程序，其功能是显示“I am a child”。设被加载的程序路径名为./child。分析：由于子进程需要加载的程序比较简单，不带参数，所以可以使用execl()实现加载。

1、运行

./child_parent.c:

在这里插入图片描述

./child.c：

在这里插入图片描述

2、解释运行结果

我在./child_parent.c文件的execl()语句后加了一个printf()语句，这样也行能够更好地体现execl的运行机制。

上述源代码中共有两个printf语句，但最终只有./child.c中的printf语句产生了输出。这是因为，execl加载进程时并不会新建一个进程，而是使用传入路径中的程序覆盖当前进程，并从新进程的main函数开始执行。覆盖后，使用fork()创建的那个程序，当然也包括其中的printf("I am child A\n")，已经不存在了。

使用execl，子进程可以更好地干自己的活，而不只是作为父进程的拷贝。

参考：

https://blog.csdn.net/bao_bei/article/details/48287945 - Linux下execl函数学习_linux的execl函数

六、线程

Linux 系统下的多线程遵循 POSIX 线程接口，称为 pthread。编写 Linux 下的多线程程式，需要使用头文档 pthread.h，连接时需要使用库 libpthread。顺便说一下，Linux 下pthread 的实现是通过系统调用 clone（）来实现的。clone（）是 Linux 所特有的系统调用，他的使用方式类似 fork，关于 clone（）的周详情况，有兴趣的读者能够去查看有关文档说明。下面我们展示一个最简单的多线程程序 pthread_create.c。

1、运行

在这里插入图片描述

2、解释运行结果

// 线程创建函数的函数头
int pthread_create(pthread_t *thread, pthread_attr_t *attr, void *(*strat_routine)(void *), void *arg)

返回值(int)：创建成功时返回0，失败时返回错误码。

参数：

thread：前面先创建了空的线程标识符pthread_t id1，这里传入&id1告诉函数要将新建线程的标识符放到哪里。可以对比scanf("%d", &x)的用法。
attr：线程的属性，传入NULL表示默认。
start_routine：线程要执行的函数的指针，上述示例代码中实参前的(void*)大概是强制类型转换为指针的意思。函数头中那一串void *(*strat_routine)(void *)你可能看着有点晕，感觉自己的C语言功底不太够用了，抱歉我也是。
arg：线程要执行的函数所需要的参数，传入NULL意思是不需要参数。

我在main函数return前添加了一个printf语句。

pthread_join的作用是让主线程进入阻塞态，等待子线程运行结束后，主线程再接着运行。否则，从子线程创建时开始，主线程与两个子线程就开始并发执行，当主线程很快运行结束并return后，整个进程也会结束，即子线程跟着结束，都来不及在屏幕上打印信息。

可以看到输出中交替打印两个字符串各四次后，最后打印出来的是This is main thread.。

参考：

https://blog.csdn.net/sevens_0804/article/details/102823184 - Linux多线程操作pthread_t
https://www.jb51.net/article/176510.htm - 简单了解C语言中主线程退出对子线程的影响

七、共享资源的互斥访问

创建两个线程来实现对一个数的递加 pthread_example.c

1、运行

例程1：

代码太长，截图不便，我直接贴文本吧。

#include<pthread.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<sys/time.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#define MAX 10

pthread_t thread[2];
pthread_mutex_t mut;
int number=0;
int i;

void thread1(){
	printf("thread1: I'm thread 1\n");
	for(i=0;i<MAX;i++){
		printf("thread1: number=%d\n",number);
		pthread_mutex_lock(&mut);
		number++;
		pthread_mutex_unlock(&mut);
		sleep(2);
	}
	pthread_exit(NULL);
}
void thread2(){
	printf("thread2: I'm thread 2\n");
	for(i=0;i<MAX;i++){
		printf("thread2: number=%d\n",number);
		pthread_mutex_lock(&mut);
		number++;
		pthread_mutex_unlock(&mut);
		sleep(3);
	}
	pthread_exit(NULL);
}
void thread_create(){
	int temp;
	memset(&thread,0,sizeof(thread));
	
	if( (temp=pthread_create(&thread[0],NULL,(void*)thread1,NULL)) != 0){
		printf("create thread1 failed!\n");
	}else{
		printf("create thread1 success!\n");
	}

	if( (temp=pthread_create(&thread[1],NULL,(void*)thread2,NULL)) != 0){
		printf("create thread2 failed!\n");
	}else{
		printf("create thread2 success!\n");
	}
}
void thread_wait(){
	if(thread[0]!=0){
		pthread_join(thread[0],NULL);
		printf("thread1 end!\n");
	}
	if(thread[1]!=0){
		pthread_join(thread[1],NULL);
		printf("thread2 end!\n");
	}						        
}
int main(){
	pthread_mutex_init(&mut,NULL);
	printf("I am main, I am creating thread!\n");
	thread_create();
	printf("I am main, I am waiting thread end!\n");
	thread_wait();

	return 0;
}

在这里插入图片描述

2、解释运行结果

进程是资源分配的基本单位，线程是调度的基本单位。上述代码中，int number和int i都是被两个线程所共享的变量。利用mutex可以实现对共享资源的互斥访问，这个比较容易理解，但是上面的运行结果中，可能有些令人疑惑的地方。

1、为什么会打印两次"number=0"，这正常吗？

是正常的，比如在如下图所示的执行顺序（但不唯一）中，就会出现打印两次"number=0"然后打印"number=2"的情况。注意sleep()会直接让当前进程阻塞，因此下图中在sleep处都是拐点。

在这里插入图片描述

2、为什么thread1连续输出了两个数"number=6"和"number=7"？

对进程的同步与互斥有些模糊时，容易产生这样的疑问。运行结果中，大部分输出都是thread1和thread2交替的，只有6和7这里是同一个线程连续输出两次，以至于觉得本应该交替输出、而连续输出是异常的。

其实不是，上述thread1的代码中是sleep(2)，而thread2的代码中是sleep(3)。如果你将thread1中的sleep(2)修改成sleep(1)，可以观察到大部分时候都是thread1在连续输出。总之，代码中只是使用mutex实现了对共享资源的互斥访问而已，并没有实现同步。