操作系统实验(3)

操作系统实验
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实验三 进程管理--进程的创建与并发执行
一．目的和要求
通过进程的创建、运行和撤销加深对进程概念和进程并发执行的理解，明确进程与程序之间的
区别。
二．实验内容
1、 Shell下的进程控制：用ps命令查看进程；用kill命令中止某些进程；用pstree命令显示系统
中进程的层次结构。（可通过“帮助”查看上述命令有哪些参数）
2、 掌握系统调用fork( )，exec系列函数（6个），exit( )，wait( )，waitpid( )，getpid( )，getppid( )
的功能和实现过程。
3、 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’；两个子进
程分别显示字符‘b’和‘c’。观察屏幕上的显示结果，并分析原因。
4、 将上述的输出字符改为输出较长的字符串，观察进程并发执行，分析执行结果。
5、 编写一段程序，使用系统调用fork( )创建一个子进程，在子进程中显示该子进程及其父进程的
PID，然后子进程睡眠10秒钟（使用系统调用sleep(10)）；父进程通过调用wait( )等待子进程
结束，并显示该子进程的PID。
6、 编写一段程序，使用系统调用fork( )创建一个子进程。子进程通过系统调用exec系列函数调
用命令ls，调用exit( )结束。而父进程则调用waitpid( )等待子进程结束，并在子进程结束后显
示子进程的标识符，然后正常结束。
三．实验提示
1、fork( )
fork( )是Linux的系统调用,其作用是创建进程，创建的子进程共享父进程在内存的程序段副本。
int fork(void)
创建一个新进程。调用fork的进程称为父进程，新进程是子进程。fork系统调用为父子进程返
回不同的值：子进程中返回0，父进程中返回子进程的PID，即fork( )被调用了一次，但返回了两次，
子进程继承了父进程的许多特性，并具有与父进程完全相同的用户级上下文，父子进程并发执行；
如创建不成功则返回负数值。fork出错可能有两种原因（errno的含义请见后面第6部分）：
（1）当前的进程数已经达到了系统规定的上限，这时errno的值被设置为EAGAIN。
（2）系统内存不足，这时errno的值被设置为ENOMEM。
例如下面的代码：
#include /* 提供类型pid_t的定义 */
#include
#include
main(void)
{
pid_t pid; /*定义进程ID，pid_t是一种数据类型，在头文件sys/types.h中定义*/
pid=fork();
if(pid<0)
{
printf("fork error\n");
exit(0);
}
else if(pid==0)
printf("this is the child process!\n"); /*子进程执行的代码*/
else
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printf("this is the parent process!\n"); /*父进程执行的代码*/
}
虽然父进程与子进程程序完全相同，但每个进程都有自己的程序计数器PC（注意子程序的PC
开始位置），然后根据pid变量保存的fork( )返回值的不同，执行了不同的分支语句，如下图所示：

2、exec系列
exec系统调用用新程序覆盖调用它的进程的地址空间。exec把一个新的程序装入调用进程的内
存空间，来改变调用进程的执行代码。此时，系统把代码段替换成新程序的代码，废弃原有的数据
段和堆栈段，并为新程序分配新的数据段和堆栈段，唯一留下的就是进程号。对系统而言，还是同
一个进程，只不过运行另一个可执行程序。所以，fork( )/exec( )组合是典型的Linux新进程产生模式，
通常先用fork( )创建新进程，然后新进程通过调用exec( )系列执行自己的任务。
exec加后缀，可有多种格式：
int execl(const char *path,const char *arg0,const char *arg1,…,(const char *)0);
int execlp(const char *file,const char *arg0,const char *arg1,…,(const char *)0);
int execle(const char *path, const char *arg0, const char *arg1, ... ,(const char *)0, char *const
envp[]);
int execv(const char *path,const char *argv[]);
int execvp(const char *file,const char *argv[]);
int execve(const char *path, const char * argv[], char * const envp[]);
其中系统调用名称中的l代表长格式，v代表利用argv传参，e代表从envp传递环境变量，p代表从
PATH指定路径搜索文件。
使用以上函数需包含头文件unistd.h。（#include）
以上六个函数中，execve是系统调用函数，其它5个函数都是在用户空间中实现的，实际最终
也是调用execve实现最终功能。共同特点：运行成功时没有返回，因为把原来的程序置换了；运行
失败时返回-1，失败原因存于errno 中。

pid=fork();
if(pid<0)
{ printf("fork error\n");
exit(0);
}
else if(pid==0)
printf("this is the child process!\n");
else
printf("this is the parent process!\n");

pid=fork(); if(pid<0) { printf("fork error\n"); exit(0); } else if(pid==0) printf("this is the child process!\n"); else printf("this is the parent process!\n"); pid=fork();
if(pid<0)
{ printf("fork error\n");
exit(0);
}
else if(pid==0)
printf("this is the child process!\n");
else
printf("this is the parent process!\n");

fork( )调用前
fork( )调用后

PC

PC PC
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例子：
（1）int execl(const char *path,const char *arg0,const char *arg1,…,(const char *)0);
execl( )用来执行参数path字符串所代表的文件路径，接下来的参数代表执行该文件时传递过去
的argv[0]、argv[1]……，最后一个参数必须用空指针(NULL)做结束。程序范例如下（execl_test.c）：
#include
main()
{
execl(“/bin/ls”,”ls”,”-al”,”/etc/passwd”,(char * )0);
}
执行结果： /*执行/bin/ls -al /etc/passwd */
-rw-r--r-- 1 root root 705 Sep 3 13 :52 /etc/passwd
（2）int execlp(const char *file,const char *arg0,const char *arg1,…,(const char *)0);
execlp( )从PATH 环境变量所指的目录中查找符合参数file的文件名，找到后便执行该文件，
然后将第二个以后的参数当做该文件的argv[0]、argv[1]……，最后一个参数必须用空指针(NULL)
做结束。程序范例如下（execlp_test.c）：
#include
main()
{
execlp(“ls”,”ls”,”-al”,”/etc/passwd”,(char *)0);
}
执行结果：/*执行ls -al /etc/passwd execlp( )会依PATH 变量中的/bin找到/bin/ls */
-rw-r--r-- 1 root root 705 Sep 3 13 :52 /etc/passwd
（3）int execle(const char *path, const char *arg0, const char *arg1, ... ,(const char *)0, char
*const envp[]);
execle()用来执行参数path字符串所代表的文件路径，接下来的参数代表执行该文件时传递过
去的argv[0]、argv[1]……，最后一个参数必须用空指针(NULL)做结束。与execl()不同的是：execl()
把默认的环境变量不做任何修改地传给被执行的应用程序，而execle()会用指定的环境变量envp去
替代默认的环境变量。程序范例如下（execle_test.c）：（注意：程序中的命令“env”作用是“显示当
前用户的环境变量”。）
#include
main()
{
char *newenv[]={“PATH=/bin:/usr/bin”,”HOME=/home/user”,NULL};
execle(“/usr/bin/env”,”/usr/bin/env”,(char *)0,newenv);
}
执行结果：
PATH=/bin:/usr/bin
HOME=/home/user
（4）int execv(const char *path,const char *argv[]);
execv( )用来执行参数path字符串所代表的文件路径，与execl()不同的地方在于execv( )只需两
个参数，第二个参数利用数组指针来传递给执行文件。程序范例如下（execv_test.c）：
#include
main()
{
char *argv[ ]={“ls”,”-al”,”/etc/passwd”,(char*)0};
execv(”/bin/ls”,argv);