操作系统作业：Linux进程的创建与并发
程序员文章站
2022-05-05 09:57:25
...
题目：
一、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。让每一个进程输出不同的内容。试观察记录屏幕上的显示结果，并分析原因。
二、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。
三、再调用exec( )用新的程序替换该子进程的内容 ，并利用wait( )来控制进程执行顺序。调用Exit()使子进程结束。
四、利用linux的信号量机制实现生产者-消费者问题。（基于进程）
第一题
1、打开终端
右键桌面->打开终端
2、创建fork.c
（1）在终端输入vim fork.c（没有vim的话请先安装vim，输入 sudo apt-get install vim即可）
（2）在该.c文件里输入下列代码
注意：单击i进入插入状态；：wq保存并退出；：q退出；：q！表示强制退出不保存//第一个题目：fork( )创建两个子进程两个子进程，运行观察输出结果
#include <stdio.h>
#include<unistd.h>
int main( )
{
int p1,p2;
while((p1=fork( ))==-1); //创建子进程 p1
if (p1==0)
printf("daughter\n");
else
{
while((p2=fork( ))==-1); //创建子进程 p2
if(p2==0)
printf("son\n");
else
printf("parent\n");
}
}3、上述程序保存后在终端依次输入gcc fork -o fork 和 ./fork得到结果
4、分析结果
本来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，父进程与子进程会同时输出。输出次序随机。
注意：一定要多运行几组，不然结果存在偶然性！上面图1就具有偶然性导致输出结果相同！
第二题
1、在文件夹中找到 fork.c文件并双击进入该文件
2、将原代码修改为：
（可以选择将原代码屏蔽或者删除，我选择了注释源代码）
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main( )
{
int p1,p2,i;
while((p1=fork( ))== -1); /*创建子进程 p1*/
if (p1==0)
for(i=0;i<10;i++)
printf("daughter %d\n",i);
else
{
while((p2=fork( ))== -1); /*创建子进程 p2*/
if(p2==0)
for(i=0;i<10;i++)
printf("son %d\n",i);
else
for(i=0;i<10;i++)
printf("parent %d\n",i);
}
}3、在终端输入gcc fork.c -o fork 然后输入 ./fork
得到结果如图：
注意：一定要在修改完fork.c文件后在终端输入gcc fork.c -o fork重新编译该文件！完成后在终端输入./fork即可
4、结果分析
由于函数fork()创建进程所需的时间多于输出时间且程序运行不存在中断，故字符串内部字符顺序输出不变。但由于进程并发执行的顺序和父子进程抢占处理机的存在，输出字符串的顺序和先后随着执行的不同而发生变化。
第三题
1、在终端输入vim fork.c
2、将终端中的程序替代为下面的代码
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include <sys/wait.h>
void main( )
{
int pid;
pid=fork( ); //创建子进程
switch(pid)
{
case -1: //创建失败
printf("fork fail!\n");
exit(1);
case 0: // 子进程
execl("/bin/ls","ls","-1","-color",NULL);
printf("exec fail!\n");
exit(1);
default: //父进程
wait(NULL); //同步
printf("ls completed !\n");
exit(0);
}
}
3、保存并返回终端，在终端输入
gcc fork.c -o fork 和 ./fork
第四题
关于生产者与消费者问题，
实现具体步骤：
1、在终端输入vim fork.c
2、将原代码屏蔽，然后输入下列代码：（源自博客：点击打开链接）
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/types.h>
#define MAX_BUFFER_SIZE 10
#define SHM_MODE 0600
#define SEM_MODE 0600
#define SEM_FULL 0
#define SEM_EMPTY 1
#define MUTEX 2
union semun{
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
};
#endif
union semun su;//sem union，用于初始化信号量
*/
struct my_buffer
{
int head;
int tail;
char str[MAX_BUFFER_SIZE];
int num; //缓冲区里字母数量
int is_empty;
};
const int N_CONSUMER = 2;//消费者数量
const int N_PRODUCER = 2;//生产者数量
const int N_BUFFER = 10;//缓冲区容量
const int N_WORKTIME = 10;//工作次数
int shm_id = -1;
int sem_id = -1;
pid_t child;
pid_t parent;
//得到10以内的一个随机数
int get_random()
{
int digit;
srand((unsigned)(getpid() + time(NULL)));
digit = rand() % 10;
return digit;
}
//得到A～Z的一个随机字母
char getRandChar()
{
char letter;
srand((unsigned)(getpid() + time(NULL)));
letter = (char)((rand() % 26) + 'A');
return letter;
}
//sem_id 表示信号量集合的 id
//sem_num 表示要处理的信号量在信号量集合中的索引
//P操作
void waitSem(int sem_id,int sem_num)
{
struct sembuf sb;
sb.sem_num = sem_num;
sb.sem_op = -1;//表示要把信号量减一
sb.sem_flg = SEM_UNDO;//
//第二个参数是 sembuf [] 类型的，表示数组
//第三个参数表示 第二个参数代表的数组的大小
if(semop(sem_id,&sb,1) < 0){
perror("waitSem failed");
exit(1);
}
}
//V操作
void sigSem(int sem_id,int sem_num)
{
struct sembuf sb;
sb.sem_num = sem_num;
sb.sem_op = 1;
sb.sem_flg = SEM_UNDO;
//第二个参数是 sembuf [] 类型的，表示数组
//第三个参数表示 第二个参数代表的数组的大小
if(semop(sem_id,&sb,1) < 0){
perror("sigSem failed");
exit(1);
}
}
//打印进程运行结果
void printTime()
{
//打印时间
time_t now;
struct tm *timenow; //实例化tm结构指针
time(&now);
timenow = localtime(&now);
printf("执行时间： %s ",asctime(timenow));
}
int main(int argc, char ** argv)
{
shm_id = shmget(IPC_PRIVATE,MAX_BUFFER_SIZE,SHM_MODE); //申请共享内存
if(shm_id < 0)
{
perror("create shared memory failed");
exit(1);
}
struct my_buffer *shmptr;
shmptr = shmat(shm_id, 0, 0); //将申请的共享内存附加到申请通信的进程空间
if (shmptr == (void*)-1)
{
perror("add buffer to using process space failed！\n");
exit(1);
}
if((sem_id = semget(IPC_PRIVATE,3,SEM_MODE)) < 0)
{ //创建三个信号量，SEM_EMPTY,SEM_FULL和MUTEX
perror("create semaphore failed! \n");
exit(1);
}
if(semctl(sem_id,SEM_FULL,SETVAL,0) == -1)
{ //将索引为0的信号量设置为0-->SEM_FULL
perror("sem set value error! \n");
exit(1);
}
if(semctl(sem_id,SEM_EMPTY,SETVAL,10) == -1)
{ //将索引为1的信号量设置为10-->SEM_EMPTY
perror("sem set value error! \n");
exit(1);
}
if(semctl(sem_id,MUTEX,SETVAL,1) == -1)
{ //将索引为3的信号量设置为1-->MUTEX
perror("sem set value error! \n");
exit(1);
}
shmptr -> head = 0;
shmptr -> tail = 0;
shmptr -> is_empty = 1;
shmptr -> num = 0;
for(int i = 0; i < N_PRODUCER; i++)
{
parent = fork();
if(parent < 0)
{
perror("the fork failed");
exit(1);
}
else if(parent == 0)
{
shmptr = shmat(shm_id, 0, 0); //将申请的共享内存附加到申请通信的进程空间
if (shmptr == (void*)-1)
{
perror("add buffer to using process space failed！\n");
exit(1);
}
int count = 0;
for(int j = 0; j < N_WORKTIME; j++)
{
waitSem(sem_id, SEM_EMPTY);
waitSem(sem_id, MUTEX);
sleep(get_random());
printf("-------------------------------------------------------------\n");
printf("我是第 %d 个生产者进程，PID = %d\n", i + 1, getpid());
/*生产产品*/
char c = getRandChar(); //随机获取字母
shmptr -> str[shmptr->tail] = c;
shmptr -> tail = (shmptr->tail + 1) % MAX_BUFFER_SIZE;
shmptr -> is_empty = 0; //写入新产品
shmptr -> num++;
/*打印输出结果*/
printTime(); //程序运行时间
int p;
printf("缓冲区数据（%d个）：",shmptr -> num); //打印缓冲区中的数据
p = (shmptr->tail-1 >= shmptr->head) ? (shmptr->tail-1) : (shmptr->tail-1 + MAX_BUFFER_SIZE);
for (p; !(shmptr -> is_empty) && p >= shmptr -> head; p--)
{
printf("%c", shmptr -> str[p % MAX_BUFFER_SIZE]);
}
printf("\t 生产者 %d 放入 '%c'. \n", i + 1, c);
printf("-------------------------------------------------------------\n");
fflush(stdout);
sigSem(sem_id, MUTEX);
sigSem(sem_id, SEM_FULL);
}
//将共享段与进程之间解除连接
shmdt(shmptr);
exit(0);
}
}
for(int i = 0; i < N_CONSUMER; i++)
{
child = fork();
if(child < 0)//调用fork失败
{
perror("the fork failed");
exit(1);
}
else if(child == 0)
{
int count = 0;
shmptr = shmat(shm_id, 0, 0); //将申请的共享内存附加到申请通信的进程空间
if (shmptr == (void*)-1)
{
perror("add buffer to using process space failed！\n");
exit(1);
}
for(int j = 0; j < N_WORKTIME; j++)
{
waitSem(sem_id, SEM_FULL);
waitSem(sem_id, MUTEX);
sleep(get_random());
printf("-------------------------------------------------------------\n");
printf("我是第 %d 个消费者进程，PID = %d\n", i + 1, getpid());
/*消费数据*/
char lt = shmptr -> str[shmptr -> head];
shmptr -> head = (shmptr -> head + 1) % MAX_BUFFER_SIZE;
shmptr -> is_empty = (shmptr->head == shmptr->tail); //
shmptr -> num--;
/*打印输出结果*/
printTime(); //程序运行时间
int p;
printf("缓冲区数据（%d个）：",shmptr -> num); //打印缓冲区中的数据
p = (shmptr -> tail - 1 >= shmptr -> head) ? (shmptr -> tail-1) : (shmptr -> tail - 1 + MAX_BUFFER_SIZE);
for (p; !(shmptr -> is_empty) && p >= shmptr -> head; p--)
{
printf("%c", shmptr -> str[p % MAX_BUFFER_SIZE]);
}
printf("\t 消费者 %d 取出 '%c'. \n", i + 1, lt);
printf("-------------------------------------------------------------\n");
fflush(stdout);
sigSem(sem_id,MUTEX);
sigSem(sem_id,SEM_EMPTY);
}
//将共享段与进程之间解除连接
shmdt(shmptr);
exit(0);
}
}
//主进程最后退出
while (wait(0) != -1);
//将共享段与进程之间解除连接
shmdt(shmptr);
//对共享内存区执行控制操作
shmctl(shm_id,IPC_RMID,0);//当cmd为IPC_RMID时，删除该共享段
shmctl(sem_id,IPC_RMID,0);
printf("主进程运行结束！\n");
fflush(stdout);
exit(0);
return 0;
}
3、保存上述代码返回终端后在终端依次输入
gcc fork.c -o fork 和 ./fork
得到输出结果：
以上程序运行结束！
感受：以上就是本次作业的完成，有了第一次系统调用（给Linux系统新增一个系统调用）的基础，这次对虚拟机的操作变得简单了不少，知道了自己需要什么，自己在卡顿的地方怎么去查询相关资料。操作系统的课程就这样结束了，但是在操作系统的这几次课后作业里我收获颇多，在锻炼自己动手能力的同时还学习到了操作系统的重要知识！给未来的自己立了一个 不错的榜样。后面继续努力吧！