操作系统实验-进程同步与互斥

实验四：进程的管道通信➢实验题目进程的管道通信➢实验目的加深对进程概念的理解，明确进程和程序的区别。

学习进程创建的过程，进一步认识进程并发执行的实质。

分析进程争用资源的现象，学习解决进程互斥的方法。

学习解决进程同步的方法。

掌握Linux系统中进程间通过管道通信的具体实现➢实验内容使用系统调用pipe()建立一条管道，系统调用fork()分别创建两个子进程，它们分别向管道写一句话，如：Child process1 is sending a message!Child process2 is sending a message!父进程分别从管道读出来自两个子进程的信息，显示在屏幕上。

当然，仅仅通过屏幕上输出这两句话还不能说明实现了进程的管道通信，为了能够更好的证明和显示出进程的同步互斥和通信，在其中要加入必要的跟踪条件，如一定的输出语句等，来反映程序的并发执行情况➢实验要求这是一个设计型实验，要求自行、独立编制程序。

两个子进程要并发执行。

实现管道的互斥使用。

当一个子进程正在对管道进行写操作时，另一个欲写入管道的子进程必须等待。

使用系统调用lockf(fd[1],1,0)实现对管道的加锁操作，用lockf(fd[1],0,0)解除对管道的锁定。

实现父子进程的同步，当父进程试图从一空管道中读取数据时，便进入等待状态，直到子进程将数据写入管道返回后，才将其唤醒。

为了清楚的反应进程的同步，在子进程完成相应的操作后，调用sleep()函数睡眠一段时间（程序中定为3s）。

父进程先执行wait()函数，当有子进程执行完毕后，会得到子进程的返回结果并清理子进程。

若子进程没执行完，父进程一直执行wait()进行监听，知道有一个子进程执行完成为僵尸进程。

➢程序中用到的系统调用因为程序时在linux系统上进行编写的，所以其中要利用到相关的linux提供的系统调用。

所用到的系统调用包含在如下头文件中。

#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>#include <unistd.h>#include <stdlib.h>#include <stdio.h>#include <errno.h>fork() 用于创一个子进程。

格式：int fork();返回值：在子进程中返回0；在父进程中返回所创建的子进程的ID值；当返回-1时，创建失败。

wait() 常用来控制父进程与子进程的同步。

在父进程中调用wait()，则父进程被阻塞，进入等待队列，等待子进程结束。

当子进程结束时，父进程从wait()返回继续执行原来的程序。

返回值：大于0时，为子进程的ID值；等于-1时，调用失败。

exit() 是进程结束时最常调用的。

格式：void exit( int status); 其中，status为进程结束状态。

pipe() 用于创建一个管道格式：pipe(int fd);其中fd是一个由两个数组元素fd[0]和fd[1]组成的整型数组，fd[0]是管道的读端口，用于从管道读出数据,fd[1]是管道的写端口，用于向管道写入数据。

返回值：0 调用成功；-1 调用失败。

sleep() 使调用进程睡眠若干时间，之后唤醒。

格式：sleep(int t); 其中t为睡眠时间。

lockf() 用于对互斥资源加锁和解锁。

在本实验中该调用的格式为：lockf(fd[1],1,0)；/* 表示对管道的写入端口加锁。

lockf(fd[1],0,0)；/* 表示对管道的写入端口解锁。

write(fd[1],String,Length) 将字符串String的内容写入管道的写read(fd[0],String,Length) 从管道的读入口读出信息放入字符串String中。

➢程序流程图程序流程简述父进程：创建管道；创建子进程1；创建子进程2；等待从管道中先后读出两个子进程写入的信息，并显示在屏幕上；退出。

子进程：将管道的写入口加锁；将信息“Child process n is sending message!”输入到变量OutPipe 中，n=1，2；将OutPipe中信息写入管道；使自己进入睡眠状态，另一进程执行；从睡眠状态返回，将管道的写入口解锁；流程图➢程序源代码➢/*OS_3.c */➢#include<sys/types.h>➢#include<sys/wait.h>➢#include<unistd.h>➢#include<stdlib.h>➢#include<stdio.h>➢#include<errno.h>➢int main()➢ {➢ pid_t pc1,pc2, pr1,pr2;➢int fd[2];➢char buf1[50],buf2[50],s[50];➢ pipe(fd);/*创建管道*/➢ pc1 = fork();/*创建进程*/➢if ( pc1 < 0 ) /* 子进程1如果出错 */➢ {➢ printf("create child prcocess1 error: %s\n", strerror(errno));➢ exit(1);➢ }➢else if ( pc1 == 0) /* 如果是子进程1占据CPU */➢ {➢➢lockf(fd[1],1,0);/*对管道加锁*/➢ sprintf(buf1,"child process1 %d is sending message\n",getpid());➢write(fd[1],buf1,50);/*子进程1将信息写入管道*/➢printf("Now in process1 %d,I'm sending a message.... \n",getpid());/*输入跟踪标记*/ ➢ sleep(3);/* 子进程1睡眠3秒钟 */➢ lockf(fd[1],0,0);/*解除锁定*/➢ exit(0);➢ }➢ pc2 = fork();/*创建进程*/➢if ( pc2 < 0 ) /* 子进程2如果出错 */➢ {➢ printf("create child prcocess2 error: %s\n", strerror(errno));➢ exit(1);➢ }➢else if ( pc2 == 0) /* 如果是子进程2占据CPU */➢ {➢lockf(fd[1],1,0);/*对管道加锁*/➢ sprintf(buf2,"child process2 %d is sending message\n",getpid());/*输入要向管道中写入的信息*/➢write(fd[1],buf2,50);/*子进程2将信息写入管道*/➢printf("Now in process2 %d,I'm sending a message.... \n",getpid());➢ sleep(3);/* 子进程2睡眠3秒钟 */➢ lockf(fd[1],0,0);/*解除对管道锁定*/➢ exit(0);➢ }➢➢/* 如果是父进程 */➢➢ printf("Now in parent process, pid = %d\n", getpid());➢ pr1 = wait(0); /* 在这里等待子进程结束 */➢if ( pr1 > 0 ) /*子进程正常返回*/➢ {➢read(fd[0],s,50);➢printf("father process %d has receiced a message:%s\n",getpid(),s);➢}➢else/*出错*/➢ printf("error: %s\n.\n", strerror(errno));➢ pr2 = wait(0); /* 在这里等待子进程结束 */➢if ( pr2 > 0 ) /*子进程正常返回*/➢ {➢read(fd[0],s,50);➢printf("father process %d has receiced a message:%s\n",getpid(),s);➢}➢else/*出错*/➢ printf("error: %s\n.\n", strerror(errno));➢ exit(0);➢ }➢程序运行结果Linux系统下编译连接完运行结果如下图对以上运行结果的解释首先程序输出在子进程1中的追踪语句，表明父进程创建完子进程后处理机由子进程调度2947为进程id值，由getpid()系统调用得到；然后处理机执行父进程，并且三秒钟后输出子进程写入管道的信息；然后是子进程2的追踪信息，表明父进程创建子进程2后处理机交由子进程调度；最后当终端停止三秒钟后输出父进程已经从管道中读取的子进程2写入的信息➢回答以下问题：① 指出父进程与两个子进程并发执行的顺序，并说明原因。

答：父进程创建子进程1，然后子进程1执行，子进程1执行完毕之后父进程执行并创建子进程2，子进程2执行，其执行完毕之后父进程执行，程序结束。

即子进程先执行，然后父进程才执行。

这是由进程的同步机制决定的，因为只有子进程向管道中写入信息后，父进程才能读取；否则父进程自己调用wait()系统调用将自己阻塞,将处理机交由子进程。

②若不对管道加以互斥控制，会有什么后果？答：管道进行互斥控制，是为防止两个子进程对管道资源进行争夺而产生信息丢失或覆盖。

如果不加控制，那么可能一个子进程写入的信息还没来得及被父进程读出，另一个子进程又先写入信息，那么之前的进程写入的信息将被覆盖，父进程也就读不到之前进程传递来的信息了。

③说明你是如何实现父子进程之间的同步的。

答：父子进程的同步主要体现在两个方面1、父进程读出之前确定管道中有数据，否则阻塞自己。

这一点很容一般到，通过系统调用wait()函数，即可以实现，当子进程结束时父进程才执行，那么此时管道中肯定已经有子进程写入的数据了。

2、子进程在写入之前要确定管道中的数据已经被父进程读出，否则不能写入或者阻塞自己。

3、这可以通过进程间的互斥来间接的办到。

因为子进程间的互斥，所以每个子进程在执行开始都对管道pipe加锁，那么这样同时就只能有一个子进程向管道写入数据，并且子进程在向管道中写入数据后还要调用sleep()系统调用睡眠若干时间，那么这样就可以保证父进程能够从管道中读出数据。