计算机操作系统实验四

实验三进程与线程
问题：
进程是具有独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的独立单位，具有动态性、并发性、独立性、异步性和交互性。

然而程序是静态的，并且进程与程序的组成不同，进程＝程序＋数据＋PCB，进程的存在是暂时的，程序的存在是永久的；一个程序可以对应多个进程，一个进程可以包含多个程序。

当操作系统引入线程的概念后，进程是操作系统独立分配资源的单位，线程成为系统调度的单位，与同一个进程中的其他线程共享程序空间。

本次实验主要的目的是：
（1）理解进程的独立空间；
（2）加深对进程概念的理解，明确进程和程序的区别；
（3）进一步认识并发执行的实质；
（4）了解红帽子（Linux）系统中进程通信的基本原理。

（5）理解线程的相关概念。

要求：
1、请查阅资料，掌握进程的概念，同时掌握进程创建和构造的相关知识和线程创建和
构造的相关知识，了解C语言程序编写的相关知识；
（1）进程：
进程（Process）是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。

程序是指令、数据及其组织形式的描述，进程是程序的实体。

进程的概念主要有两点：第一，进程是一个实体。

每一个进程都有它自己的地址空间，一般情况下，包括文本区域（text region）、数据区域（data region）和堆栈（stack region）。

文本区域存储处理器执行的代码；数据区域存储变量和进程执行期间使用的动态分配的内
存；堆栈区域存储着活动过程调用的指令和本地变量。

第二，进程是一个“执行中的程序”。

程序是一个没有生命的实体，只有处理器赋予程序生命时（操作系统执行之），它才能成为一个活动的实体，我们称其为进程。

（2）进程的创建和构造:
进程简单来说就是在操作系统中运行的程序，它是操作系统资源管理的最小单位。

但是进程是一个动态的实体，它是程序的一次执行过程。

进程和程序的区别在于：进程是动态的，程序是静态的，进程是运行中的程序，而程序是一些保存在硬盘上的可执行代码。

新的进程通过克隆旧的程序（当前进程）而建立。

fork() 和clone()（对于线程）系统调用可用来建立新的进程。

（3）线程的创建和构造：
线程也称做轻量级进程。

就像进程一样，线程在程序中是独立的、并发的执行路径，每个线程有它自己的堆栈、自己的程序计数器和自己的局部变量。

但是，与独立的进程相比，进程中的线程之间的独立程度要小。

它们共享内存、文件句柄和其他每个进程应有的状态。

线程的出现也并不是为了取代进程，而是对进程的功能作了扩展。

进程可以支持多个线程，它们看似同时执行，但相互之间并不同步。

一个进程中的多个线程共享相同的内存地址空间，这就意味着它们可以访问相同的变量和对象，而且它们从同一堆中分配对象。

尽管这让线程之间共享信息变得更容易，但你必须小心，确保它们不会妨碍同一进程里的其他线程。

线程与进程相似，是一段完成某个特定功能的代码，是程序中单个顺序的流控制，但与进程不同的是，同类的多个线程是共享同一块内存空间和一组系统资源的，而线程本身的数据通常只有微处理器的寄存器数据，以及一个供程序执行时使用的堆栈。

所以系统在产生一个线程，或者在各个线程之间切换时，负担要比进程小得多，正因如此，线程也被称为轻型进程（light-weight process）。

一个进程中可以包含多个线程。

2、理解进程的独立空间的实验内容及步骤
（1）编写一个程序，在其main（）函数中定义一个变量shared，对其进行循环加/减操作，并输出每次操作后的结果；
源程序如下所示:
运行结果如图所示：
（2）使用系统调用fork（）创建子进程，观察该变量的变化；
在（1）的基础上修改源码，增加多进程部分代码：
结果：
与（1）的运行结果不同，多进程情况下，子进程拷贝了父进程的内存区，因此父子进程有各自的内存空间，有各自的变量，互不影响。

父子进程从fork 语句开始分开执行，且一般情况下，父子进程会争夺系统资源，谁先占用资源，谁先执行
（3）修改程序把shared变量定义到main（）函数之外，重复第（2）步操作，观察该变量的变化。

结果截图：
和（2）的运行结果相同；
说明父子进程有各自的内存空间，有各自的变量，独立运行。

在多进程情况下，不管是局部变量还是全局变量，父子进程都会有各自的一份拷贝，从而独立运行。

3、理解线程的实验步骤
流程图如下所示：开始
开始设置全局变量
创建主进程
创建线程
结束
（1）编写一个程序，在其main（）函数中创建一个（或多个）线程，观察该线程是如何与主线程并发运行的。

输出每次操作后的结果；
代码截图：
结果截图：
多次运行程序，可以看到会有不同的结果出现；
原因：多个线程是并发执行的，相互独立运行的，多次执行结果可能不相同。

（2）在main()函数外定义一个变量shared（全局变量），在main()中创建一个线程，在main()中和新线程shared进行循环加/减操作，观
察该变量的变化；
代码截图：
结果截图：
分析：程序中两个进程都对shared变量产生影响，从而使shared的值在重复0和1。

原因:在多个线程中均可使用，说明多个线程共享了一块存储区，从而验证了这多个线程共享了同一进程块。

（3）修改程序把shared变量定义到main（）函数之内，重复第（2）步操作，观察该变量的变化。

直接把全局变量shared改成局部定义，其它的保持不变直接编译出现错误；代码：
当shared为全局变量时，程序可以正常执行，说明了shared在共享的进程块中，而不是某个线程所独占；然而此时，shared只是改为局部变量，编译时出现错误，不能继续进行操作，需要改动程序，通过传递指针变量消除错误，继续运行。

4. 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'a'，子进程分别显示字符'b'和字符'c'。

试观察记录屏幕上的显示结果（多次运行，查看结果是否有变化），并分析原因；
多次执行的话，a/b/c的显示顺序不一定，取决于进程的调度时机：
P1和父进程执行先后次序随机
1）执行p1进程时，先输出‘b’；执行到语句
2）执行父进程时，当执行到语句P2 = fork ( )时，如果创建新进程成功，则又出现一个新进程，即子进程(记为p2)，父进程仍然存在。

P2 = fork ( )语句执行完之后，p2和父进程执行先后次序随机。

此时执行p2时，输出‘c’；父进程会输出‘a’。

5、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（多次运行，查看结果是否有变化），并分析原因；
结果：
字符串内部字符的数字不会改变;
分析：由于函数printf()输出的字符串之间不会被中断，因此，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
6、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；
代码：
结果：
分析：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。

7、分析总结
（1）对于fork()语句的使用还是不够熟练和清楚；
（2）注意shared 的全局性和局部性，而且在作为局部变量时，应注意print_thread_id()函数和pthread_create()函数的使用，因为后者的第四个参数是指针型变量，故在传递shared的值时应注意指针的使用；
（3）vi操作；。