操作系统：实验一进程控制实验

一、实验目的

1、掌握进程的概念，理解进程和程序的区别。

2、认识和了解并发执行的实质。

3、学习使用系统调用fork()创建新的子进程方法，理解进程树的概念。

4、学习使用系统调用wait()或waitpid()实现父子进程同步。

5、学习使用getpid()和getppid()获得当前进程和父进程的PID号。

6、掌握使用exec簇函数实现进程映像更换的方法。

7、了解系统编程，学习父进程如何通过创建一个子进程来完成某项特定任务的方法。

二、实验内容

1.进程的创建

编写一段程序，使用系统调用fork( )创建两个子进程，在系统中有一个父进程和两个子进程活动。让每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，并分析结果。(1分)

    <参考程序>

#include<stdio.h>

#include<stdlib.h>

#include<unistd.h>

#include<sys/types.h>

int main()

{   int  p1, p2;

       while((p1=fork())==-1);

        if(p1==0)

            printf("b ");

        else

        {   while((p2=fork())==-1);

            if(p2==0)

                printf("c ");

            else

               printf("a ");

        }

        return 0;

}

执行结果及结果分析：

首先父进程会fork()创建一个新的子进程也就是b进程，当b进程运行到if(p1==0)语句时就会打印出“b ”，然后父进程会进入else语句，再创建一个子进程c，由于在父进程中p2>0所以进入else语句，打印“a ”，在创建出来的c进程中，p2=0打印出“c ”。

 

 

修改上题，在父进程中显示当前进程识别码，在每个子进程中显示当前进程识别码和父进程识别码，运行程序查看结果，分析运行结果。(1分)

#include<stdio.h>

#include<stdlib.h>

#include<unistd.h>

#include<sys/types.h>

int main()

{   int  p1, p2;

    while((p1=fork())==-1);

    if(p1==0)    //p1子进程

        printf("b: pid=%d ppid=%d\n",getpid(),getppid());

    else       //父进程

    {   while((p2=fork())==-1);

        if(p2==0)//p2子进程

            printf("c: pid=%d ppid=%d\n",getpid(),getppid());

        else     //父进程

           printf("a: pid=%d\n",getpid());

    }

    return 0;

}

父进程a首先创建出一个子进程p1，在p1进程中p1=0，打印出p1的pid和ppid，可以看出b的父进程为a，然后主进程运行到else语句中，再次创建一个子进程p2，在p2进程中p2=0，打印出c的pid和ppid，可以看出，c的父进程为a，主进程运行到else语句，打印出自己的pid。

改进上题，使父进程等待两个子进程结束之后再结束。(1分)

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/wait.h>



int main() {

    int p1, p2;

    while ((p1 = fork()) == -1);

   

    if (p1 == 0) { // 子进程p1

        printf("b: pid=%d ppid=%d\n", getpid(), getppid());

    } else { // 父进程

        while ((p2 = fork()) == -1);

        if (p2 == 0) { // 子进程p2

            printf("c: pid=%d ppid=%d\n", getpid(), getppid());

        } else { // 父进程

          

            printf("a: pid=%d\n", getpid());

            // 等待两个子进程结束

        }

    }

    return 0;

}

2.编写程序创建进程树如图1所示，在每个进程中显示当前进程识别码和父进程识别码。（1分）

图1进程树的参考程序：

#include<stdio.h>

#include<unistd.h>

int main()

{

    int  p1,p2,p3;

    while((p1=fork())== -1);

    if(p1==0)

    {

        while((p2=fork())==-1);       

        if(p2==0)

        {

            while((p3=fork())==-1);       

            if(p3==0)   //p3子进程

                printf(" d,Mypid=%d, myppid=%d\n", getpid(), getppid());

             else   //p2子进程

               printf(" c,Mypid=%d, myppid=%d\n", getpid(), getppid());

        }

        else //p1子进程

        printf(" b,Mypid=%d, myppid=%d\n", getpid(), getppid());

    }

    else //主进程

        printf(" a,Mypid is %d\n", getpid());

getchar();

}

编译及执行程序：

结果截屏：

 

3.模仿第2题，按图2进程树编写程序，给出编译及执行过程和结果截屏。（1分）

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/wait.h>

#include <sys/types.h>



int main() {

    int p1, p2, p3, p4, p5;

    while ((p2 = fork()) == -1 );

    if(p2 > 0){

        waitpid(p2,NULL, 0);

        printf("a: pid=%d\n", getpid());

        while ((p4 = fork()) == -1);

        if(p4 == 0){

           waitpid(p4, NULL, 0);

           printf("d: pid=%d, ppid=%d\n", getpid(), getppid());

           while ((p5 = fork()) == -1);

           if(p5 == 0){

               waitpid(p5, NULL, 0);

               printf("d: pid=%d, ppid=%d\n", getpid(), getppid());

           }

           exit(0);

        }

        waitpid(p4, NULL, 0);

    }

    else if(p2 == 0){

        waitpid(p2, NULL, 0);

        printf("b: pid=%d, ppid=%d\n", getpid(), getppid());

        while ((p3 = fork()) == -1);

        if (p3 == 0) {

           waitpid(p3, NULL, 0);

            printf("c: pid=%d, ppid=%d\n", getpid(), getppid());

            exit(0);

        }

        waitpid(p3, NULL, 0);

    }

   

    return 0;

}

 

4.分析程序，给出编译及执行过程和结果截屏。（2分）

（1）

#include<unistd.h>

#include<stdlib.h>

#include<stdio.h>

main()

{   int child,p;

        while((child=fork())==-1);

        if(child==0)    //子进程下

        {   printf("In child: sleep for 10 seconds and then exit. \n");

           sleep(10);

           exit(0);

        }

        else    //父进程下

        {   do

           {   p=waitpid(child,NULL,WNOHANG);  //非阻塞式等待子进程结束

               if(p==0)

               {   printf("In father: The child process has not exited.\n");

                   sleep(1);

               }

           }while(p==0);

           if(p==child)

           {   printf("Get child exitcode then exit!\n");}

           else

           {   printf("Error occured!\n");}

        }

        exit(0);

}

编译及执行过程和运行结果截屏：

分析程序功能：

这段程序的功能是创建一个子进程，然后父进程非阻塞地等待子进程结束。父进程调用fork()创建子进程。如果fork()成功，子进程会打印一条消息并休眠10秒，然后退出。如果fork()失败，父进程会继续尝试创建子进程，直到成功。父进程在一个循环中使用waitpid()函数以非阻塞方式等待子进程结束。这意味着父进程会定期检查子进程的状态而不会被阻塞。如果waitpid()返回0，表示子进程尚未退出，父进程会打印一条消息，并休眠1秒。循环直到waitpid()返回的进程ID等于子进程的ID，表示子进程已经退出。最后，父进程根据waitpid()返回的值来判断是否成功等待子进程退出，并打印相应的消息。综上所述，该程序实现了父进程非阻塞地等待子进程退出，并在子进程退出后打印相应的消息。

（2）

#include<unistd.h>

#include<stdlib.h>

#include<stdio.h>

main()

{   int child,p;

        while((child=fork())==-1);

        if(child==0)    //子进程下

        {   execl("/home/student/welcome.out","",NULL);

           exit(0);

        }

        else    //父进程下

        {   p=waitpid(child,NULL,0);  //阻塞式等待子进程结束  

if(p==child)

printf("Get child exitcode then exit!\n");

else

               printf("Error occured!\n");

        }

exit(0);

}

子进程要加载程序的源程序welcome.c：

#include<stdio.h>

main()

{   printf("Hello! This is another process.\n");}

 

编译及执行过程和运行结果截屏：

分析程序功能：

这段程序的功能是创建一个子进程，然后父进程阻塞地等待子进程结束，接着根据waitpid()返回的值判断子进程是否成功退出，并打印相应的消息。父进程调用fork()创建子进程。如果fork()成功，子进程会调用execl()函数执行另一个程序/sy/sy1/welcome.out，然后子进程会退出。如果fork()失败，父进程会继续尝试创建子进程，直到成功。父进程使用waitpid()函数以阻塞方式等待子进程结束，其中参数NULL表示不获取子进程的退出状态，参数0表示等待任何子进程退出。当子进程退出后，waitpid()会返回子进程的进程ID。父进程根据waitpid()返回的值来判断是否成功等待子进程退出，并打印相应的消息。综上所述，该程序实现了父进程阻塞地等待子进程退出，并在子进程退出后打印相应的消息。

 

 

5. 编程创建2个子进程，子进程1运行指定路径下的可执行文件(如：/home/student/welcome.out)，子进程2暂停10s之后退出，父进程先用阻塞方式等待子进程1的结束，然后用非阻塞方式等待子进程2的结束，待收集到二个子进程结束的信息，父进程就返回。（2分）

参考程序框架：

#include <unistd.h>

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#include <sys/wait.h>

#include <sys/types.h>



int main() {

    int child1, child2, p;

   

    while ((child1 = fork()) == -1);

   

    if (child1 == 0) {

        execl("/sy/sy1/welcome.out", "", NULL);

        exit(0);

    } else {

        while ((child2 = fork()) == -1);

       

        if (child2 == 0) {

            // 子进程2暂停10秒后退出

            sleep(10);

            exit(0);

        } else {

            // 父进程等待子进程1结束

            p = waitpid(child1, NULL, 0);

            if (p == child1)

                printf("Get child1 exitcode then exit!\n");

            else

                printf("Error occurred!\n");

           

            // 父进程非阻塞方式等待子进程2结束

            do {

                p = waitpid(child2, NULL, WNOHANG);

                if (p == 0) {

                    printf("In father: The child2 process has not exited.\n");

                    sleep(1);

                }

            } while (p == 0);

           

            if (p == child2)

                printf("Get child2 exitcode then exit!\n");

            else

                printf("Error occurred!\n");

        }

    }

    exit(0);

}

编译及执行过程：

结果截屏：

 

6.编写一个简易的shell解释程序。其运行原理是：当命令行上有命令需要执行时，shell进程获得该命令，然后创建子进程，让子进程执行该命令，shell进程等待子进程退出，之后继续等待命令行上的命令周而复始。(附加题)

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/wait.h>

#include <string.h>

#define MAX_COMMAND_LENGTH 100



int main() {

    char command[MAX_COMMAND_LENGTH];

    pid_t pid;

    int status;

   

    while (1) {

        // 打印提示符

        printf("shell> ");

        // 读取命令行输入

        if (fgets(command, sizeof(command), stdin) == NULL) {

            printf("Error reading command\n");

            continue;

        }

       

        // 移除命令行输入中的换行符

        command[strcspn(command, "\n")] = '\0';

       

        // 创建子进程

        pid = fork();

        if (pid < 0) {

            perror("fork");

            exit(EXIT_FAILURE);

        } else if (pid == 0) {

            // 在子进程中执行命令

            execlp(command, command, NULL);

            // 如果execlp返回，说明命令执行失败

            perror("execlp");

            exit(EXIT_FAILURE);

        } else {

            // 父进程等待子进程退出

            waitpid(pid, &status, 0);

        }

    }

   

    return 0;

}

三、实验总结和体会（1分）

通过本次实验，我学到了以下几点：

学习了如何使用fork()函数创建子进程，以及父子进程之间的关系。

理解了使用wait()和waitpid()函数等待子进程结束，并获取子进程的退出状态。

掌握了使用execl()函数在子进程中执行外部命令。

加深了对进程间通信和进程控制的理解，例如父进程等待子进程退出的过程。

熟悉了在C语言中使用系统调用来实现基本的shell解释器功能。

总的来说，通过实验，我加深了对进程管理、进程通信和操作系统底层的理解，并且了解了基本的Linux系统