計算機操作系統(tǒng)實驗四

/實驗三進程與線程問題：進程是具有獨立功能的程序關(guān)于某個數(shù)據(jù)集合上的一次運行活動.是系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的獨立單位.具有動態(tài)性、并發(fā)性、獨立性、異步性和交互性。然而程序是靜態(tài)的.并且進程與程序的組成不同.進程＝程序＋數(shù)據(jù)＋PCB.進程的存在是暫時的.程序的存在是永久的；一個程序可以對應多個進程.一個進程可以包含多個程序。當操作系統(tǒng)引入線程的概念后.進程是操作系統(tǒng)獨立分配資源的單位.線程成為系統(tǒng)調(diào)度的單位.與同一個進程中的其他線程共享程序空間。本次實驗主要的目的是：理解進程的獨立空間；加深對進程概念的理解.明確進程和程序的區(qū)別；進一步認識并發(fā)執(zhí)行的實質(zhì)；了解紅帽子〔Linux系統(tǒng)中進程通信的基本原理。理解線程的相關(guān)概念。要求：請查閱資料.掌握進程的概念.同時掌握進程創(chuàng)建和構(gòu)造的相關(guān)知識和線程創(chuàng)建和構(gòu)造的相關(guān)知識.了解C語言程序編寫的相關(guān)知識；進程：進程〔Process是計算機中的程序關(guān)于某數(shù)據(jù)集合上的一次運行活動.是系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的基本單位.是操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎。程序是指令、數(shù)據(jù)及其組織形式的描述.進程是程序的實體。進程的概念主要有兩點：第一.進程是一個實體。每一個進程都有它自己的地址空間.一般情況下.包括文本區(qū)域〔textregion、數(shù)據(jù)區(qū)域〔dataregion和堆?！瞫tackregion。文本區(qū)域存儲處理器執(zhí)行的代碼；數(shù)據(jù)區(qū)域存儲變量和進程執(zhí)行期間使用的動態(tài)分配的內(nèi)存；堆棧區(qū)域存儲著活動過程調(diào)用的指令和本地變量。第二.進程是一個"執(zhí)行中的程序"。程序是一個沒有生命的實體.只有處理器賦予程序生命時〔操作系統(tǒng)執(zhí)行之.它才能成為一個活動的實體.我們稱其為進程?！?進程的創(chuàng)建和構(gòu)造:進程簡單來說就是在操作系統(tǒng)中運行的程序.它是操作系統(tǒng)資源管理的最小單位。但是進程是一個動態(tài)的實體.它是程序的一次執(zhí)行過程。進程和程序的區(qū)別在于：進程是動態(tài)的.程序是靜態(tài)的.進程是運行中的程序.而程序是一些保存在硬盤上的可執(zhí)行代碼。新的進程通過克隆舊的程序〔當前進程而建立。fork<>和clone<>〔對于線程系統(tǒng)調(diào)用可用來建立新的進程?！?線程的創(chuàng)建和構(gòu)造：線程也稱做輕量級進程。就像進程一樣.線程在程序中是獨立的、并發(fā)的執(zhí)行路徑.每個線程有它自己的堆棧、自己的程序計數(shù)器和自己的局部變量。但是.與獨立的進程相比.進程中的線程之間的獨立程度要小。它們共享內(nèi)存、文件句柄和其他每個進程應有的狀態(tài)。線程的出現(xiàn)也并不是為了取代進程.而是對進程的功能作了擴展。進程可以支持多個線程.它們看似同時執(zhí)行.但相互之間并不同步。一個進程中的多個線程共享相同的內(nèi)存地址空間.這就意味著它們可以訪問相同的變量和對象.而且它們從同一堆中分配對象。盡管這讓線程之間共享信息變得更容易.但你必須小心.確保它們不會妨礙同一進程里的其他線程。線程與進程相似.是一段完成某個特定功能的代碼.是程序中單個順序的流控制.但與進程不同的是.同類的多個線程是共享同一塊內(nèi)存空間和一組系統(tǒng)資源的.而線程本身的數(shù)據(jù)通常只有微處理器的寄存器數(shù)據(jù).以及一個供程序執(zhí)行時使用的堆棧。所以系統(tǒng)在產(chǎn)生一個線程.或者在各個線程之間切換時.負擔要比進程小得多.正因如此.線程也被稱為輕型進程〔light-weightprocess。一個進程中可以包含多個線程。理解進程的獨立空間的實驗內(nèi)容及步驟shared=1shared=1pid=fork<>pid=fork<>pid<0ERRORpid<0ERRORYNpid>0輸出shared操作Ypid>0輸出shared操作pid==0Npid==0輸出shared操作Y輸出shared操作〔1編寫一個程序.在其main〔函數(shù)中定義一個變量shared.對其進行循環(huán)加/減操作.并輸出每次操作后的結(jié)果；源程序如下所示:運行結(jié)果如圖所示：使用系統(tǒng)調(diào)用fork〔創(chuàng)建子進程.觀察該變量的變化；在〔1的基礎上修改源碼.增加多進程部分代碼：結(jié)果：與〔1的運行結(jié)果不同.多進程情況下.子進程拷貝了父進程的內(nèi)存區(qū).因此父子進程有各自的內(nèi)存空間.有各自的變量.互不影響。父子進程從fork語句開始分開執(zhí)行.且一般情況下.父子進程會爭奪系統(tǒng)資源.誰先占用資源.誰先執(zhí)行修改程序把shared變量定義到main〔函數(shù)之外.重復第〔2步操作.觀察該變量的變化。結(jié)果截圖：和〔2的運行結(jié)果相同；說明父子進程有各自的內(nèi)存空間.有各自的變量.獨立運行。在多進程情況下.不管是局部變量還是全局變量.父子進程都會有各自的一份拷貝.從而獨立運行。理解線程的實驗步驟流程圖如下所示：開始開始開始設置全局變量shared開始設置全局變量shared創(chuàng)建主進程創(chuàng)建主進程創(chuàng)建線程創(chuàng)建線程Sleep1SSleep1SShared++Shared++輸出Shared的值輸出Shared的值結(jié)束結(jié)束開始開始創(chuàng)建主進程創(chuàng)建主進程開始設置全局變量shared開始設置全局變量shared創(chuàng)建線程創(chuàng)建線程Sleep1SSleep1SShared++Shared++輸出Shared的值輸出Shared的值結(jié)束結(jié)束編寫一個程序.在其main〔函數(shù)中創(chuàng)建一個〔或多個線程.觀察該線程是如何與主線程并發(fā)運行的。輸出每次操作后的結(jié)果；代碼截圖：結(jié)果截圖：多次運行程序.可以看到會有不同的結(jié)果出現(xiàn)；原因：多個線程是并發(fā)執(zhí)行的.相互獨立運行的.多次執(zhí)行結(jié)果可能不相同。在main<>函數(shù)外定義一個變量shared〔全局變量.在main<>中創(chuàng)建一個線程.在main<>中和新線程shared進行循環(huán)加/減操作.觀察該變量的變化；代碼截圖：結(jié)果截圖：分析：程序中兩個進程都對shared變量產(chǎn)生影響.從而使shared的值在重復0和1。原因:在多個線程中均可使用.說明多個線程共享了一塊存儲區(qū).從而驗證了這多個線程共享了同一進程塊。修改程序把shared變量定義到main〔函數(shù)之內(nèi).重復第〔2步操作.觀察該變量的變化。直接把全局變量shared改成局部定義.其它的保持不變直接編譯出現(xiàn)錯誤；代碼：當shared為全局變量時.程序可以正常執(zhí)行.說明了shared在共享的進程塊中.而不是某個線程所獨占；然而此時.shared只是改為局部變量.編譯時出現(xiàn)錯誤.不能繼續(xù)進行操作.需要改動程序.通過傳遞指針變量消除錯誤.繼續(xù)運行。4.編寫一段程序.使用系統(tǒng)調(diào)用fork<>創(chuàng)建兩個子進程。當此程序運行時.在系統(tǒng)中有一個父進程和兩個子進程活動。讓每一個進程在屏幕上顯示一個字符：父進程顯示'a'.子進程分別顯示字符'b'和字符'c'。試觀察記錄屏幕上的顯示結(jié)果〔多次運行.查看結(jié)果是否有變化.并分析原因；多次執(zhí)行的話.a/b/c的顯示順序不一定.取決于進程的調(diào)度時機：P1和父進程執(zhí)行先后次序隨機1執(zhí)行p1進程時.先輸出‘b’；執(zhí)行到語句2執(zhí)行父進程時.當執(zhí)行到語句P2=fork<>時.如果創(chuàng)建新進程成功.則又出現(xiàn)一個新進程.即子進程<記為p2>.父進程仍然存在。P2=fork<>語句執(zhí)行完之后.p2和父進程執(zhí)行先后次序隨機。此時執(zhí)行p2時.輸出‘c’；父進程會輸出‘a(chǎn)’。5、修改已編寫的程序.將每個進程輸出一個字符改為每個進程輸出一句話.在觀察程序執(zhí)行時屏幕出現(xiàn)的現(xiàn)象〔多次運行.查看結(jié)果是否有變化.并分析原因；結(jié)果：字符串內(nèi)部字符的數(shù)字不會改變;分析：由于函數(shù)printf<>輸出的字符串之間不會被中斷.因此.字符串內(nèi)部的字符順序輸出時不變。但是,由于進程并發(fā)執(zhí)行時的調(diào)度順序和父子進程的搶占處理機問題.輸出字符串的順序和先后隨著執(zhí)行的不同而發(fā)生變化。這與打印單字符的結(jié)果相同6、如果在程序中使用調(diào)用lockf<>來給每一個子進程加鎖.可以實現(xiàn)進程之間的互斥.觀察并分析出現(xiàn)的現(xiàn)象；代碼：結(jié)果：分析：lockf<1,1,0>鎖定標準輸出設備.lockf<1,0,0>解鎖標準輸出設備.在lockf<1,1,0>與lockf<1,0,0