操作系统实验——熟悉linux系统、fork操作

实验一：熟悉Linux命令及进程管理

实验目的

熟悉linux系统的命令
学会利用vi文件编辑系统编辑文件
掌握folk、wait等系统函数的使用与分析

实验内容和步骤

安装并熟悉linux操作系统

目前流行的Linux系统很多，我选择利用virtual box中安装虚拟ubuntu系统完成本次实验。如下图：在virtual box中新建ubuntu环境后，设置好ubuntu虚拟镜像环境就可以使用了。

为了使操作不受限，在ubuntu中设置超级用户：

2、linux操作系统基本命令

who命令：该命令主要用于查看当前在线上的用户情况。
ps命令：使用该命令可以确定有哪些进程正在运行和运行的状态、进程是否结束、进程有没有僵死、哪些进程占用了过多的资源等等。总之大部分信息都是可以通过执行该命令得到的。

Man+命令获取帮助

Vi的基本操作：

3、在linux系统中编写并运行C程序

在ubuntu中主要有两种方式来运行C语言程序：

一种是首先将代码保存在文本编辑器中，然后利用gcc将代码编译成可执行文件，最后在终端执行该可执行文件，输出的结果在终端显示。
一种是利用全屏幕文本编辑器vi，首先进入vi的命令模式，输入vi +文本文件名 //用vim打开该文件，没有则自动创建，进入之后输入i进入编辑模式，编写完成后，先按esc回到命令行模式，然后再返回。

值得注意的是，将windows操作系统中的代码直接共享到ubuntu系统中，也有两种方式：

一种是设置virtual box 允许主机和虚拟机之间可以相互复制粘贴(我选的方法)
一种是为window和ubuntu设置共享文件夹

代码及运行结果分析

代码段1的运行结果分析：我采用方法一(利用文本编辑器保存c代码)，

程序1、

#include "stdio.h"
main()
{int i,j,k;
if (i=fork())
{j=wait();
printf("Parent Process!\n");
printf("i=%d,j=%d,k=%d\n",i,j);
}
else
{k=getpid();
printf("Child Process!\n");
printf("i=%d,k=%d\n\n",i,k);
}}

代码分析：

代码第4行：在语句if（i=fork()）之前，只有一个进程在执行这段代码，但在这条语句之后，就变成两个进程在执行了，这两个进程的几乎完全相同，将要执行的下一条语句都是判断if条件语句是否为真。

1）在父进程中，fork返回新创建子进程的进程ID，这时i是大于0的，因此会进入if语句中执行wait操作，并等待子进程执行完毕；

2）在子进程中，fork返回0，因此会执行else中的操作；

3）如果出现错误，fork返回一个负值；

代码第5行：

wait函数功能是：父进程一旦调用了wait就立即阻塞自己，由wait自动分析是否当前进程的某个子进程已经退出，如果让它找到了这样一个已经变成僵尸的子进程，wait就会收集这个子进程的信息，并把它彻底销毁后返回；如果没有找到这样一个子进程，wait就会一直阻塞在这里，直到有一个出现为止。

当父进程忘了用wait()函数等待已终止的子进程时,子进程就会进入一种无父进程的状态,此时子进程就是僵尸进程.

wait()要与fork()配套出现,如果在使用fork()之前调用wait(),wait()的返回值则为-1,正常情况下wait()的返回值为子进程的PID.

执行步骤与结果如下图所示：

根据上图所示的分析结果，容易发现：

由于父进程被系统函数wait阻塞了，因此由子进程先输出，i=0说明其fork返回值是0，k=1950说明其pid是1950。
当子进程执行完毕之后，wait检测到并将其销毁后返回。这里看到wait()函数的返回值是-1（j的值），并不是子进程的pid，这是因为wait函数的传入参数不是NULL， wait会把子进程退出时的状态取出并存入其中，这是一个整数值（int），指出了子进程是正常退出还是被非正常结束的，以及正常结束时的返回值，或被哪一个信号结束的等信息。人们设计了一套专门的宏（macro）来完成这项工作， WIFEXITED(status) 这个宏用来指出子进程是否为正常退出的，如果是，它会返回一个非零值。因此，我们可以总结出该子进程是正常退出的。

为了验证上述的猜想，把wait函数改写成wait(NULL)，得到以下输出结果：

分析以上结果，发现父进程的fork和wait函数的返回值都是子进程的pid=4074，父进程的pid为4073，说明此时wait函数是正常返回的。

程序1运行的进程数如下图所示：

程序2的代码及运行结果分析：

#include<stdio．h>
main()
{
int p1，p2;
while((p1＝fork())= =-1);
if(p1= =0)

printf(“b.My process ID is %d”,getpid());

else
{
while((p2＝fork())= =-1);
if(p2＝＝0)

printf(“c.My process ID is %d”,getpid());

else printf(“a.My process ID is %d”,getpid());
}
}

执行结果：

从代码的第5行开始分析，首先执行fork，fork执行完后，系统中出现两个进程，分别是p1和p0。

根据if条件语句，可以判断出p1为子进程，执行if语句，输出语句b；p0为父进程继续执行else语句；进入else循环后，原父进程p0继续执行fork语句，此时根据if条件判断，系统又产生了新的子进程p2，输出语句c, 最后原父进程p0输出语句a。

多次执行程序2，发现输出结果并不相同：

如上图所示，有时先创建的进程的执行速度反而慢于后创建的进程的执行速度。这是因为当fork语句执行成功后创建新进程后，这些进程执行没有固定的先后顺序，哪个进程先执行要看系统的进程调度策略。

程序3的代码和结果分析；

main()
{int m,n,k;
m=fork();
printf("PID:%d\t",getpid());
printf("The return value of fork():%d\t\t",m);
printf("he\n");
n=fork();
printf("PID:%d\t",getpid());
printf("The return value of fork():%d\t\t",n);
printf("ha\n");
k=fork();
printf("PID:%d\t",getpid());
printf("The return value of fork():%d\t\t",k);
printf("ho\n");}

根据运行结果，系统共执行了三次fork，共生成了8个进程。

第一次执行fork时，系统的父进程为p4607，子进程为p4608
第二次执行fork时，进程p4607和p4608分别生成了子进程p4609和p4611。
第三次执行fork时，前面生成的四个进程，分别生成了新的子进程p4610，p4612,p4613,p4614。

程序4的运行结果：

#include<stdio.h>
main()
{
int p1,p2,i;
while((pl＝fork())= =-1);
if(pl= =0)
for(i=0;i<50000;i++)
printf("son％d\n”，i);
else
{
while((p2=fork())= =-1);
if(p2= =0)
for(i=0;i<50000;i++)
printf("daughter%d\n”，i);
else
for(i＝0，i<50000;i++)
printf("parent％d＼n)”,i);}}

多次运行程序4的结果并不相同，根据上图所示，可以发现最后执行完的进程可能是父进程也可能是子进程，有时先创建的进程的执行速度反而慢于后创建的进程的执行速度。这是因为当fork语句执行成功后创建新进程后，这些进程执行没有固定的先后顺序，哪个进程先执行要看系统的进程调度策略。

编写程序实现进程树

#include"stdio.h"
#include"unistd.h"
main()
{
int p1,p2;
while((p1=fork())==-1);
int fpid=fork();
if(fpid==0)
printf("pid=%4d ,child%4d\n",getpid(),fpid);
else
printf("pid= %4d , child%4d\n",getpid(),fpid);
if(p1>0 && fpid>0)
{
while((p2=fork())==-1);
if(p2==0)
printf("pid=%4d , child%4d\n",getpid(),p2);
else printf("pid=%4d , child%4d\n",getpid(),p2);
}
}

程序的运行结果如下：

结果分析，在最初的程序设计时，创建了6个进程，后来我发现，这是因为父进程的p1共享给了它第二次创建的子进程，所以第二次创建的子进程也会进入if（p1>0）的条件语句中，修改条件语句，则成功实现程序所要求的进程树。

程序的进程树如上图所示。

心得体会

在本次实验中，我安装并学习了linux系统的基础操作，并通过分析linux进程创建的核心代码，fork和wait函数，理解了Linux系统创建子进程的过程，fork函数是一个神奇的函数，通过该系统函数的调用，它调用一次可以产生两个返回值，并为当前进程产生一个新的子进程，这里有一点特别值得注意，在fork语句之前，该进程的所有资源，包括代码、变量都会等价的复制给子进程，如果忽略了这一点，很容易在编写程序自己创建进程树的时候出错。

操作系统实验——熟悉linux系统、fork操作

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