作业必备:操作系统实验三：【进程控制】

实验三：进程控制

红体字依然是懒懒的小白必看内容~~

【实验前的准备】

先来点**必读材料**：
一、进程的控制

进程因创建而存在，因执行完成或异常原因而终止.在进程的生命周期中，进程在内存中有三种基本状态:**就绪，执行，阻塞**.进程状态的转换是通过进程控制原语来实现的。Linux操作系统提供了相应功能的系统调用及命令，来实现用户层的进程控制。

二、相关命令：

（1）睡眠指定时间
执行格式：# sleep x，x为指定睡眠的秒数。
（2）结束或终止进程 kill
执行格式： # kill [-9] PID （PID为利用ps命令所查出的process ID）
（3）查看正在background中执行的process
执行格式：# jobs
（4）用户在终端输入Linux命令时，对应的shell通常会建立子进程来运行该命令。通过ps命令可以查看用户空间的当前进程。
执行格式： # ps [-auf]
-a 列出当前终端上启动的所有进程；
-u 按用户名和启动时间的顺序来显示进程；
-f 以全格式列出

三、系统调用：

1、exec( )系列：
如果exec( )调用成功，调用进程将被覆盖，然后从新程序的入口开始执行。exec( )没有建立一个与调用进程并发的子进程，而是用**新进程取代了原来进程**。所以exec( )调用成功后，没有任何数据返回。
2、exec( )和fork( )联合使用
系统调用exec和fork( )联合使用能为程序开发提供有力支持。用fork( )建立子进程，然后在子进程中使用exec( )，这样就实现了父进程与一个与它完全不同子进程的并发执行。

更多关于exec（）系列函数，请见这位大佬的博文:

https://blog.csdn.net/amoscykl/article/details/80354052?utm_source=app&app_version=5.3.0&code=app_1562916241&uLinkId=usr1mkqgl919blen

3、wait（）
等待子进程运行结束。如果子进程没有完成，父进程一直等待。
4、sleep（）
睡眠指定时间。该函数使得当前进程自我阻塞second秒，由执行态转换成阻塞态，直到系统唤醒。
5、exit（）
终止进程的执行。为了及时回收进程所占用的资源并减少父进程的干预，LINUX/LINUX利用exit( )来实现进程的自我终止，通常父进程在创建子进程时，应在进程的末尾安排一条exit( )，使子进程自我终止。exit(0)表示进程正常终止，exit(1)表示进程运行有错，异常终止。

掌握了以上知识点，就可以开始实验了~

【实验目的】

1、了解进程创建后对进程控制的系统调用，可实现对进程的有效控制
2、掌握进程的睡眠、同步、撤消等进程控制方法

【实验内容】：

0、阅读实验相关资料。
1、通过相关命令，对进程的状态进行控制。
2、编写程序，使用fork( )创建一个子进程。使用相关的系统调用控制进程的状态。观察并分析多进程的执行次序及状态转换。

【实验步骤】：

1、参考程序：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/wait.h>
#include<unistd.h>
int 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*/
		printf("Is son:\n"); 
		execl("/bin/ls","ls","-l",NULL); 
		printf("exec fail!\n");
		exit(1);
   	   default:/*父进程*/
		printf("ls parent:\n");
		while(1)  sleep(1);
		exit(0);
    	}
	return 0;
}

2、运行结果：

yzy@yzy-virtual-machine:~/123$ gcc fork_exec.c -o def
yzy@yzy-virtual-machine:~/123$ ./def&
[2] 2318
yzy@yzy-virtual-machine:~/123$ ls parent:
Is son:
总用量 24
-rwxrwxr-x 1 yzy yzy 16992  4月  3 10:12 def
-rw-rw-r-- 1 yzy yzy   502  4月  3 10:09 fork_exec.c

3、解释：子进程用exec( )装入命令ls，exec( )后，子进程的代码被ls的代码取代，这时子进程的PC指向ls的第1条语句，开始执行ls的命令代码。

4、用 jobs命令查看后台运行的process 。

yzy@yzy-virtual-machine:~/123$ jobs
[1]+  运行中               ./def &

5、用ps 命令显示当前终端上启动的所有进程

yzy@yzy-virtual-machine:~/123$ ps -af
UID          PID    PPID  C STIME TTY          TIME CMD
yzy         1612    1609  1 10:08 tty2     00:00:11 /usr/lib/xorg/Xorg vt2 -disp
yzy         1626    1609  0 10:08 tty2     00:00:00 /usr/libexec/gnome-session-b
yzy         2422    2416  0 10:18 pts/0    00:00:00 ./def
yzy         2423    2422  0 10:18 pts/0    00:00:00 [ls] <defunct>
yzy         2425    2416  0 10:20 pts/0    00:00:00 ps -af

解释：倒数第二行，[ls] defunct 说明进程”ls”是一个僵死进程。父进程创建一个子进程后，可以用wait()等待回收其子进程的资源，也可以正常终止后由系统回收其子进程的资源。

6、用kill命令直接杀死该子进程。

yzy@yzy-virtual-machine:~/123$ kill -9 2423
yzy@yzy-virtual-machine:~/123$ ps -af
UID          PID    PPID  C STIME TTY          TIME CMD
yzy         1612    1609  1 10:08 tty2     00:00:12 /usr/lib/xorg/Xorg vt2 -disp
yzy         1626    1609  0 10:08 tty2     00:00:00 /usr/libexec/gnome-session-b
yzy         2422    2416  0 10:18 pts/0    00:00:00 ./def
yzy         2423    2422  0 10:18 pts/0    00:00:00 [ls] <defunct>
yzy         2442    2416  0 10:25 pts/0    00:00:00 ps -af

解释：未能成功，因为父进程还没结束。

7、kill命令杀死父进程之后,成功。

yzy@yzy-virtual-machine:~/123$ kill -9 2422
yzy@yzy-virtual-machine:~/123$ ps -af
UID          PID    PPID  C STIME TTY          TIME CMD
yzy         1612    1609  1 10:08 tty2     00:00:13 /usr/lib/xorg/Xorg vt2 -disp
yzy         1626    1609  0 10:08 tty2     00:00:00 /usr/libexec/gnome-session-b
yzy         2459    2416  0 10:27 pts/0    00:00:00 ps -af
[1]+  已杀死               ./def

解释：但是如果父子进程都异常终止，则shell进程将回收其资源。Init进程回收所有僵死进程资源。

8、修改程序fork_ececl.c，在父进程执行” while(1)”之前，添加代码”wait(0);”。在后台执行该程序。显示当前终端上启动的所有进程。

yzy@yzy-virtual-machine:~/123$ Is son:
总用量 24
-rwxrwxr-x 1 yzy yzy 17032  4月  3 11:03 def
-rw-rw-r-- 1 yzy yzy   530  4月  3 11:03 fork_exec.c
ls parent:

解释：子进程结束后，它的父进程在等待（调用wait函数）它，所以Is son先显示。Wait函数：若未找到处于“僵死状态”的子进程，则调用进程便在可被中断的优先级上睡眠，等待其子进程发来软中断信号时被唤醒。

9、修改以上程序，在子进程执行”printf(“Is son:\n”);”之前添加代码“sleep(1);”。（若父进程先输出，则在父进程执行printf(“ls parent:\n”);之前添加代码“sleep(1);”）观察多进程的执行序列，解释原因。

yzy@yzy-virtual-machine:~/123$ ls parent:
Is son:
总用量 24
-rwxrwxr-x 1 yzy yzy 16992  4月  3 11:16 def
-rw-rw-r-- 1 yzy yzy   531  4月  3 11:16 fork_exec.c

解释：sleep函数：second为指定睡眠的秒数。该函数使得当前进程自我阻塞second秒，由执行态转换成阻塞态，直到系统唤醒。
多次执行，都为上述结果，屏幕输出is parent后，停顿约1秒后才显示后续内容。

【实验感想】：

（1）可执行文件加载时进行了哪些处理？参考程序中，什么时候执行语句”printf(“exec fail!\n”);”？

经过这些处理：C源程序一>编译预处理一>编译一>优化程序一>汇编程序一>链接程序一>可执行文件。
execl(“/bin/ls”,“ls”,”-l”,NULL);在这个语句中，“bin/ls”为文件目录路径；“ls”、“-l”代表执行文件传递过去的参数；Null为结束符。。如果exec( )调用成功，调用进程将被覆盖，然后从新程序的入口开始执行。
若execl()没有调用成功，失败原因记录在error中，执行下一条语句：printf("exec fail!\n")

（2）实验指导中的第5步，wait( )是如何实现进程同步的？

首先，程序在调用fork()那里创建了一个子进程后，马上调用wait()，使父进程在子进程调用之前一直处于睡眠状态，这样就使子进程先运行，子进程运行exec()装入命令后，然后调用wait(0),使子进程和父进程并发执行，实现进程同步。

（3）实验指导中的第6步，sleep(1)为什么能导致进程切换？

Sleep函数使得当前进程自我阻塞1秒，由执行态转换成阻塞态，所以从正在运行的进程中收回处理器，让等待运行的就绪态的进程来占有处理器运行。等中断处理完后，再继续恢复原进程处理。

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