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 ");elseprintf("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p1printf("b: pid=%d ppid=%d\n", getpid(), getppid());} else { // 父进程while ((p2 = fork()) == -1);if (p2 == 0) { // 子进程p2printf("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");elseprintf("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");elseprintf("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");elseprintf("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 100int 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;}