武汉大学操作系统大作业_2

Fork、Pthread实验报告

一、学习目标

1.学习fork函数和pthread函数的使用，阅读源码，分析两个函数的机理。

2.在系统中创建一个三层次父子进程树，并具有两层次线程，并打印运行中各个执行体的处理器使用、内存使用等基本信息。

二、基本原理

1、fork函数

fork函数的函数原型是pid_t fork( void)。fork()函数的响应函数是 sys_fork()、sys_clone()、sys_vfork()。这三个函数都是通过调用内核函数 do_fork() 来实现的。

使用do_fork()函数创建一个进程大致分为如下几个过程：

（1）向系统申请在内存中分配一个 task_struct 数据结构，即进程控制块PCB，

do_fork()中通过使用alloc_task_struct()实现。task_struct是LINUX内核用以管理进程的结构体，它包含了进程状态、PID、内核栈等等执行进程所必须要的资源。

（2）对PCB进行初始化操作。通过执行*p=*curren，将父进程（当前进程）的PCB内容拷贝到新进程中去，重新设置 task_struct 结构中那些与父进程值不同的数据成员，为进程分配标志号。根据参数中传入的 clone_flags 参数值，决定是否要拷贝父进程

task_struct 中的指针 fs 、files 指针等所选择的部分。

（3）将新进程加入到进程链表中去，并拷贝父进程的上下文来初始化子进程上下文。启动调度程序，通过wake_up_process(p)唤醒子进程，并放入就绪队列当中。父进程返回子进程的PID，子进程返回0。

通过do_fork()函数以及示例代码运行结果，可以了解到fork()函数的如下特点：

（1）fork函数返回值Pid_t 是在头文件sys/types.h中定义的宏，在调用fork后会返回两个值，如果是子进程则返回值为0，如果是父进程则返回值大于0（为子进程的PID），如果创建进程失败则返回值小于0。

（2）通过fork函数创建的新进程是对父进程的复制，子进程的所有数据（变量、环境变量、程序计数器等）数值都和原进程一致。通过示例代码1.1可以看见父、子进程最后执行结果中count的值都是1，这是因为子进程拷贝的是父进程当前的状态， count为0，执行了‘++’操作变为1。

（3）父进程和子进程的概念是相对的，如运行结果1.2所示，p722是p719的子进程，也是p724的父进程。父进程和子进程的执行顺序是不一定的，这依赖于系统调度。子进程和父进程的可执行程序是同一个程序、上下文和数据，绝大部分就是原进程（父进程）的拷贝，但它们是两个相互独立的进程，fork()以后，子进程就相当于父进程的兄弟一样了。

（4）在运行结果1.1中可以看见子进程输出时父进程的ID为1，这是因为在子进程执行printf语句的时候，父进程已经结束了，对于没有父进程的子进程系统会将其父进程置为init（PID为1）进程。

代码示例1.1

运行结果1.1

示例代码1.2

运行结果1.2

【注】代码示例1.1运行结果如运行结果1.1所示，示例代码1.2运行结果如运行结果1.2所示。

2、pthread函数

Pthread中定义了一系列线程操作函数、同步互斥函数，此次主要学习了

pthread_create()、pthread_join()、pthread_exit()函数。

（1）pthread_create()函数用于线程创建，第一个参数pthread_t *thread用于存储创建成功的线程的ID。第二个参数const pthread_attr_t * attr 用于给定线程属性，置为NULL则使用默认属性。

pthread_create()源代码中，新进程的参数、信息均被打包到request结构中，再通过__libc_write(__pthread_manager_request, (char *) &request, sizeof(request))，将请求写入全局变量__pthread_manager_request，最后由__pthread_manager()函数创建并管理线程。

（2）pthread_join()函数用于挂起线程，第一个参数pthread_t thread，用于指定次需要等待结束的线程，当thread指定的线程没有终止，将导致调用线程挂起，直到由参数thread指定的线程终止。最后一个参数void**status是通过pthread_exit()函数传递进来的，如作业代码中主线程要等待线程1结束，而线程1要等待线程2结束。

（3）pthread_exit()函数用于结束线程，参数status将子线程的结束状态传递给主线程。主线程可以在pthread_join()成功返回后获得子线程的结束状态，并根据不同的结束状态做不同的处理。

通过运行示例代码可以发现线程的一些特点：

（1）子线程的创建顺序与子线程执行顺序是不一致，子线程的执行顺序是随机的，依赖于操作系统的调度。如运行结果2.1.1和2.1.2所示，两个子线程执行顺序是随机的。

（2）示例代码2.1中，线程1线程2对number都有写操作，所以在修改number值的时候要进行加锁和解锁的操作，避免出现结果不唯一结果。如果去掉互斥锁，可以看见如运行结果2.1.2所示number值出现了错误。

（3）线程没有独立的存储空间，同一进程下的线程共享存储空间，所以在运行结果2.1.1中我们看到number的结果是逐渐累加的，在作业代码运行结果中也可以看到线程1、2与创建他们的进程共用一个内存地址，且PID均为父进程的PID。其实，线程有各自的线程ID，可以通过pthread_self()获得。

示例代码2.1两个子线程

运行结果2.1.1

运行结果2.1.2

【注】代码示例2.1运行结果如运行结果2.1.1和2.1.2所示。

三、实验结果

1、代码及运行结果截图

作业代码 3.1.1 第一次fork

作业代码 3.1.2 第二次fork

作业代码 3.1.3 子线程定义

运行结果3.1

2、心得体会

通过此次学习，我对进程、线程的概念有了进一步的认识，初步了解了fork、pthread 的原理以及使用方法，但是此次实验仍有不足的地方。

（1）相关知识不足，在看fork和pthread源代码的时候有很多不明白的地方，尤其是pthread部分。

（2）对部分代码的运行结果不能很好的理解。

（3）代码中没有实现打印处理器使用、内存使用等基本信息。

四、附件

//源代码

// Created by Yi Mingli on 16/4/1.

// Copyright (c) 2016年 Yi Mingli. All rights reserved.

#include

#include

#include

#include

#include

#define THREAD_NUM 2

pthread_t threads[THREAD_NUM]; //线程返回数组

pthread_mutex_t mut;

int number=0;

void *thread2()

{

printf("I am thread2,my PID is %d,and my id is %lu

(0x%x)\n",getpid(),pthread_self(),getpid());

pthread_exit(NULL);

return NULL;

}

void *thread1()

{

printf("I am thread1,my PID is %d,and my id is %lu

(0x%x)\n",getpid(),pthread_self(),getpid());

int sthread=pthread_create(&threads[1], NULL, (void*)thread2, NULL); //创建线程2

if (sthread)

{

printf("error in thread2!\n");

}

if (threads[1]!=0) {

pthread_join(threads[1], NULL);

printf("thread2 is over!\n");

}

pthread_exit(NULL);

return NULL;

}

int main(int argc, const char * argv[]) {

pid_t fpid=fork(); //创建第一个子进程

if (fpid<0)

{

printf("error in fork 1!\n")；

} //进程创建失败

else if (fpid==0) //子进程

{

printf("I am process2,my father process is %d,my id is %d,and the value of fpid is %d (0x%x)\n",getppid(),getpid(),fpid,getpid());

pid_t sfpid=fork(); //创建第二个进程

if (sfpid<0)

{

printf("error in fork 2!\n");

}

else if(sfpid==0)

{

printf("I am process3,my father process is %d,my id is %d,and the value of fpid is %d (0x%x)\n",getppid(),getpid(),sfpid,getpid());

int* arg=malloc(sizeof(int));

*arg=getpid();

int fthread=pthread_create(&threads[0], NULL, (void*)thread1, NULL); if (fthread)

{

printf("error in thread1!\n");

}

if(threads[0]!=0) {

pthread_join(threads[0], NULL);

printf("thread1 is over!\n");

}

}

else

{

printf("I am process2,my father process is %d,my id is %d,and the value of fpid is %d (0x%x)\n",getppid(),getpid(),sfpid,getpid());

}

}

else

{

printf("I am process1,my father process is %d,my id is %d,and the value of fpid is %d (0x%x)\n",getppid(),getpid(),fpid,getpid());

}

return 0;

}