操作系统课程设计 进程管理、进程间通信

（1）加深对进程概念的理解，明确进程和程序的区别。

  （2）进一步认识并发执行的实质。

  （3）分析进程竞争资源现象，学习解决进程互斥的方法。

  （4）了解Linux系统中进程通信的基本原理。

Linux系统的进程通信机构 (IPC) 允许在任意进程间大批量地交换数据。本实验的目的是了解和熟悉Linux支持的消息通讯机制及信息量机制。

装有Linux操作系统的PC机

（1）进程的创建

   编写一段源程序，使系统调用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：父进程显示字符“a”;子进程分别显示字符“b”和字符“c”。试观察纪录屏幕上的显示结果，并分析原因。

  （2）进程的控制

   修改已编写的程序，将每个进程输出一个字符改为每个进程输出一句话，在观察程序执行时屏幕出现的现象，并分析原因。

   如果在程序中使用调用lockf()来给每一个子进程加锁，可以实现进程之间的互斥，观察并分析出现的现象。

  （3）①编写一段程序，使其现实进程的软中断通信。

消息的创建，发送和接收。

   ①使用系统调用msgget (), msgsnd (), msgrev (), 及msgctl () 编制一长度为1k的消息的发送和接收程序。

   ②观察上面的程序，说明控制消息队列系统调用msgctl () 在此起什么作用？

共享存储区的创建、附接和段接。

   使用系统调用shmget(),shmat(),sgmdt(),shmctl(),编制一个与上述功能相同的程序。比较上述（1），（2）两种消息通信机制中数据传输的时间。

四 . 课程设计过程及结果

1．进程的创建

〈任务〉

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；父进程显示字符“a”，子进程分别显示字符“b”和“c”。试观察记录屏幕上的显示结果，并分析原因。

〈程序〉

#include

main()

{

int p1,p2;

    if(p1=fork())               /*子进程创建成功*/

        putchar('b');

    else

    { 

        if(p2=fork())              /*子进程创建成功*/

          putchar('c');

            else putchar('a');           /*父进程执行*/

    }

}

<运行结果>

    bca(有时会出现abc的任意的排列)

分析：从进程执行并发来看，输出abc的排列都是有可能的。

原因：fork()创建进程所需的时间虽然可能多于输出一个字符的时间，但各个进程的时间片的获得却不是一定是顺序的，所以输出abc的排列都是有可能的。

2．进程的控制

<任务>

  修改已编写好的程序，将每个程序的输出由单个字符改为一句话，再观察程序执行时屏幕上出现的现象，并分析其原因。如果在程序中使用系统调用lockf()来给每个程序加锁，可以实现进程之间的互斥，观察并分析出现的现象。

〈程序1〉

#include

main()

{

    int p1,p2,i;

    if(p1=fork())

{

         for(i=0;i<500;i++)

                printf("parent%d\\n",i);

         wait(0); /* 保证在子进程终止前，父进程不会终止*/

            exit(0);

}

    else

    { 

     if(p2=fork())

            {

            for(i=0;i<500;i++) 

             printf("son %d\\n",i);

          wait(0); /* 保证在子进程终止前，父进程不会终止*/

             exit(0); /*向父进程信号0且该进程推出*/

}

     else

            {

            for(i=0;i<500;i++)  

            printf(“grandchild %d\\n",i); 

            exit(0);

}

    }

}

〈运行结果〉

    parent….

    son…

    grandchild…

    grandchild…

    或grandchild

    …son

    …grandchild

    …son

    …parent

    分析：由于函数printf()输出的字符串之间不会被中断，因此,每个字符串内部的字符顺序输出时不变。但是 , 由于进程并发执行时的调度顺序和父子进程的抢占处理机问题，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。

〈程序2〉

#include

main()

{

    int p1,p2,i;

    if(p1=fork())

    {

         lockf(1,1,0);

         for(i=0;i<500;i++)  

            printf("parent %d\\n",i);

         lockf(1,0,0);

          wait(0); /* 保证在子进程终止前，父进程不会终止*/

          exit(0);

}

    else

     {

          if(p2=fork())

            { 

            lockf(1,1,0);

             for(i=0;i<500;i++) 

 printf("son %d\\n",i);

            lockf(1,0,0);

         wait(0); /* 保证在子进程终止前，父进程不会终止*/

            exit(0);

              }

        else

        { 

         lockf(1,1,0);

             for(i=0;i<500;i++) 

 printf("daughter %d\\n",i);

               lockf(1,0,0);

        exit(0);

        }

     }

}

<运行结果〉

输出parent块,son块,grandchild块的顺序可能不同，但是每个块的输出过程不会被打断。

分析：因为上述程序执行时，lockf(1,1,0)锁定标准输出设备，lockf(1,0,0)解锁标准输出设备，在lockf(1,1,0)与lockf(1,0,0)中间的for循环输出不会被中断，加锁与不加锁效果不相同。

3．软中断通信

〈任务1〉

编制一段程序，使用系统调用fork()创建两个子进程，再用系统调用signal()让父进程捕捉键盘上来的中断信号（即按ctrl+c键），当捕捉到中断信号后，父进程用系统调用kill()向两个子进程发出信号，子进程捕捉到信号后，分别输出下列信息后终止：

child process1 is killed by parent!

child process2 is killed by parent!

父进程等待两个子进程终止后，输出以下信息后终止：

parent  process  is  killed! 

#include

#include

#include

void waiting(),stop(),alarming();

int wait_mark;

main()

{

    int p1,p2;

    if(p1=fork())             /*创建子进程p1*/

    {

        if(p2=fork())            /*创建子进程p2*/

        {

            wait_mark=1;

            signal(SIGINT,stop);    /*接收到^c信号，转stop*/

            signal(SIGALRM,alarming);/*接受SIGALRM

            waiting();

            kill(p1,16);            /*向p1发软中断信号16*/

               kill(p2,17);          /*向p2发软中断信号17*/

            wait(0);              /*同步*/

            wait(0);

            printf("parent process is killed!\\n");

            exit(0);

        }

        else

        {

            wait_mark=1;            

            signal(17,stop);

            signal(SIGINT,SIG_IGN);  /*忽略 ^c信号*/

            while (wait_mark!=0);

            lockf(1,1,0);

            printf("child process2  is killed by parent!\\n");

            lockf(1,0,0);

            exit(0);

        }

    }

    else

    {

        wait_mark=1;

        signal(16,stop);

signal(SIGINT,SIG_IGN);  /*忽略^c信号*/

        while (wait_mark!=0)

        lockf(1,1,0);

        printf("child process1 is killed by parent!\\n");

        lockf(1,0,0);

        exit(0);

    }

}

void waiting()

{

    sleep(5);

if (wait_mark!=0)

 kill(getpid(),SIGALRM);

}

void alarming()

{

    wait_mark=0;

}

void stop()

{

    wait_mark=0;

}

<运行结果>

    不做任何操作等待五秒钟父进程回在子进程县推出后退出，并打印退出的顺序；或者点击ctrl+C后程序退出并打印退出的顺序。

〈任务2〉

在上面的任务1中，增加语句signal(SIGINT,SIG_IGN)和语句signal(SIGQUIT,SIG_IGN)，观察执行结果，并分析原因。这里，signal(SIGINT,SIG_IGN)和signal(SIGQUIT,SIG_IGN)分别为忽略键信号以及忽略中断信号。

<程序>

#include

#include

#include

    int pid1,pid2;

    int EndFlag=0;

    int pf1=0;

    int pf2=0;

void IntDelete()

{

    kill(pid1,16);

    kill(pid2,17);

}

void Int1()

{

    printf("child process 1 is killed !by parent\\n");

    exit(0);

}

void Int2()

{

    printf("child process 2 is killed !by parent\\n");

    exit(0);

}

main()

{

    int exitpid;

        if(pid1=fork())

        {

          if(pid2=fork())

          {

            signal(SIGINT,IntDelete);

            waitpid(-1,&exitpid,0);

            waitpid(-1,&exitpid,0);

            printf("parent process is killed\\n");

            exit(0);

          }

          else

          {

            signal(SIGINT,SIG_IGN);

            signal(17,Int2);

            pause();

          }

        }

        else

        {

            signal(SIGINT,SIG_IGN);

            signal(16,Int1);

            pause();

        }

}

〈运行结果〉

请读者将上述程序输入计算机后，执行并观察。

3．进程的管道通信

〈任务〉

     编制一段程序，实现进程的管道通信。使用系统调用pipe()建立一条管道线。两个子进程p1和p2分别向通道个写一句话：

  child1 process is sending message!

child2 process is sending message!

而父进程则从管道中读出来自两个进程的信息，显示在屏幕上。

〈程序〉

#include

#include

#include

int pid1,pid2;

main( )

{ 

int fd[2];

char outpipe[100],inpipe[100];

pipe(fd);                       /*创建一个管道*/

while ((pid1=fork( ))==-1);

if(pid1==0)

  {

lockf(fd[1],1,0);

    sprintf(outpipe,"child 1 process is sending message!"); 

    /*把串放入数组outpipe中*/

    write(fd[1],outpipe,50);     /*向管道写长为50字节的串*/

    sleep(5);                 /*自我阻塞5秒*/

    lockf(fd[1],0,0);

    exit(0);

   }

else

  {

while((pid2=fork( ))==-1);

    if(pid2==0)

{ 

lockf(fd[1],1,0);           /*互斥*/

        sprintf(outpipe,"child 2 process is sending message!");

        write(fd[1],outpipe,50);

        sleep(5);

        lockf(fd[1],0,0);

        exit(0);

     }

     else

     {  

wait(0);              /*同步*/

         read(fd[0],inpipe,50);   /*从管道中读长为50字节的串*/

         printf("%s\\n",inpipe);

         wait(0);

         read(fd[0],inpipe,50);

         printf("%s\\n",inpipe);

        exit(0);

    }

  }

}

〈运行结果〉

    延迟5秒后显示:

    child1 process is sending message! 

    再延迟5秒:

    child2 process is sending message!

（2）进程的管道通信

     编制一段程序，实现进程的管道通信。使用系统调用pipe()建立一条管道线。两个子进程p1和p2分别向通道个写一句话：

  child1 process is sending message!

child2 process is sending message!

而父进程则从管道中读出来自两个进程的信息，显示在屏幕上。

#include

#include

#include

int pid1,pid2;

main( )

{ 

int fd[2];

char outpipe[100],inpipe[100];

pipe(fd);                       /*创建一个管道*/

while ((pid1=fork( ))==-1);

if(pid1==0)

  {

lockf(fd[1],1,0);

    sprintf(outpipe,"child 1 process is sending message!"); 

    /*把串放入数组outpipe中*/

    write(fd[1],outpipe,50);     /*向管道写长为50字节的串*/

    sleep(5);                 /*自我阻塞5秒*/

    lockf(fd[1],0,0);

    exit(0);

   }

else

   {

while((pid2=fork( ))==-1);

    if(pid2==0)

{ 

lockf(fd[1],1,0);           /*互斥*/

        sprintf(outpipe,"child 2 process is sending message!");

        write(fd[1],outpipe,50);

        sleep(5);

        lockf(fd[1],0,0);

        exit(0);

     }

     else

     {  

wait(0);              /*同步*/

         read(fd[0],inpipe,50);   /*从管道中读长为50字节的串*/

         printf("%s\\n",inpipe);

         wait(0);

         read(fd[0],inpipe,50);

         printf("%s\\n",inpipe);

        exit(0);

    }

  }

}

〈运行结果〉

    延迟5秒后显示:

    child1 process is sending message! 

    再延迟5秒:

    child2 process is sending message!

（2）消息的创建，发送和接收

#include

#include

#include

#include

#define MSGKEY 75          /*定义关键词MEGKEY*/

Struct msgform                /*消息结构*/

{

    long mtype;

    char mtexe[100];         /*文本长度*/

}msg;

int msgqid,i;

void CLIENT( )

{

    int i;

    msgqid=msgget(MSGKEY,0777|IPC_CREAT);

    for(i=10;i>=1;i--)

    {

         msg.mtype=i;

         printf("(client)sent\\n");

          msgsnd(msgqid,&msg,1030,0);       /*发送消息msg入msgid消息队列*/

    }

    exit(0);

}

void SERVER( )

{ 

     msgqid=msgget(MSGKEY,0777|IPC_CREAT); /*由关键字获得消息队列*/

    do

  {

      msgrcv(msgqid,&msg,1030,0,0);  /*从队列msgid接受消息msg*/

      printf("(server)receive\\n");

    }while(msg.mtype!=1);             /*消息类型为1时，释放队列*/

    msgctl(msgqid, IPC_RMID,0);

}

main()

{

  if(fork()) 

{

SERVER();

      wait(0);

}

    else CLIENT( );

}

<运行结果>

     。。

五．设计流程图 

六．分析

从理想的结果来说，应当是每当Client发送一个消息后，server接收该消息，Client再发送下一条。也就是说“(Client)sent”和“(server)received”的字样应该在屏幕上交替出现。实际的结果大多是，先由 Client 发送两条消息，然后Server接收一条消息。此后Client

 Server交替发送和接收消息.最后一次接收两条消息. Client 和Server 分别发送和接收了10条消息,与预期设想一致     是否   

message的传送和控制并不保证完全同步,当一个程序不再激活状态的时候,它完全可能继续睡眠,造成上面现象,在多次send message 后才 receive message.这一点有助于理解消息转送的实现机理.