操作系统——进程管理

准备工作

1. 编辑c语言源程序

$vim   test.c~~~~ 

按键,进入编辑模式，程序输入完成后，按键，退出编辑模式。
按 : 键，进入命令行模式。所有需要在底部命令行执行的指令，都需要以：开头来触发。

• 按:w 保存当前文件（write），但不退出vim。
• 按 :q (quit)不存盘并退出vim编辑，返回命令行方式。（若文件有未保存的修改，执行:q会报错）
• 按:wq保存并退出，是最常用的命令。
• 按:q!强制退出，不保存任何修改。

2. 编译c语言源程序

$gcc -o test -g test.c
没有错误提示，表示编译成功；否则返回vim中进行修改。
编译成功后，可通过 ./test 运行程序，或通过 gdb ./test 启动调试工具进行调试。

参数说明

• gcc：GNU C 编译器，用于将 C 语言源代码编译为可执行程序
• -o test：指定编译输出的可执行文件名为 test（如果不指定，默认输出文件名为 a.out）
• -g：在编译时添加调试信息，方便后续对程序进行调试（如设置断点、查看变量等）。
• test.c：要编译的 C 语言源代码文件。

3. 调试运行

方式一：gdb ./test.c

$ gdb test
:
:<出现提示信息>
:

(gdb) 输入run ,程序即可运行，输出运行结果。

方式二：./test

通过 ./test 直接运行程序，得出结果

gcc 编译器的安装

ubuntu上没有装gcc编译器，需要自己安装。
安装命令如下：
sudo apt install gcc
由于上一次在安装了vim（shell编程（2）——基础知识结合小案例实现
），本次安装应该没有任何问题。
安装完成后，使用gcc --version命令查看，证明安装成功。

一、关于进程的系统调用

1. 进程的创建 fork()
   格式：pid=fork()
   功能：创建一个新进程，新进程与父进程具有相同的代码，父子进程都从fork()之后的那条语句开始执行。

• a)对于父进程，pid 的值>0;
• b)对于子进程，pid的值=0;
• c)创建失败，pid的值<0。

pid 是 Process ID（进程标识符） 的缩写，是操作系统为每个运行中的进程分配的唯一整数标识符，用于唯一标识一个进程。

2. 进程的终止 exit()
   格式：exit(status)
   功能：终止当前进程的执行，status是一个整数，其值可以返回父进程。

3. 进程的同步 wait()
   格式：wait()
   功能：使父进程进入睡眠状态，直到子进程终止后被唤醒，用于实现父子进程的同步。

4. 进程的延迟 sleep()
   格式：sleep(n)
   功能：当前进程延迟n秒执行。

5. 进程执行另一程序 execl()
   功能：在当前进程中执行另一个程序，替换原有进程的代码、数据等，实现进程功能

二、 探究内容

1、进程的创建

执行下面的程序，分析执行的结果。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>  // 包含fork函数的声明int  main(){  int i;printf("just 1 process.\n");i=fork();if (i==0)printf("I am child.\n");else if (i>0)printf("I am parent.\n");else printf("fork() failed.\n");printf("program end.\n");return 0;}

分析

创建子进程：执行 i = fork()
fork() 会创建一个与父进程几乎完全相同的子进程，父子进程从 fork() 之后的代码开始分别执行。
父进程中，fork() 返回子进程的 PID（大于 0），因此 i > 0。
子进程中，fork() 返回 0，因此 i == 0。
若创建失败（极少发生），fork() 返回负数，执行 fork() failed.

结论

• fork() 调用后，系统中会出现两个独立的进程（父进程和子进程），且从 fork() 之后的代码开始并行执行。
• 父子进程通过 fork() 的返回值区分身份（父进程得到子进程 PID，子进程得到 0）。
• 父子进程的执行顺序由操作系统调度决定，因此分支代码的输出顺序可能不固定，但初始的 just 1 process. 只会输出一次（仅父进程在 fork() 前执行）。

运行结果

2、进程的同步

 #include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include<sys/wait.h>		//wait()
int main(){  int i;printf("just 1 process.\n");i=fork();if (i>0){	 printf("I am parent.\n");wait();}else{if (i==0){ printf("I am child.\n");exit(1);}}printf("program end.\n");}

代码执行流程

• 初始阶段：
  程序启动后，只有父进程运行，执行 printf("just 1 process.\n")，输出：just 1 process.
• 创建子进程：执行 i = fork()
  • 父进程中，fork() 返回子进程的 PID（i > 0）。
  • 子进程中，fork() 返回 0（i == 0）。
• 父进程分支（i > 0）：
  • 执行 printf("I am parent.\n")，输出：I am parent.
  • 调用 wait()：父进程进入阻塞状态，等待子进程终止后再继续执行。
• 子进程分支（i == 0）：
  • 执行 printf("I am child.\n")，输出：I am child.
  • 调用 exit(1)：子进程立即终止，退出状态码为 1（该状态码会被父进程的 wait() 获取，但代码中未显式处理）
• 后续执行：
  子进程终止后，父进程的 wait() 被唤醒，继续执行后续代码。
  父进程执行最后一句 printf("program end.\n")，输出：program end.
  子进程因已调用 exit(1)，不会执行最后一句 printf（直接终止）。

关键特性

• 同步机制：wait() 确保父进程等待子进程执行完毕后再继续，避免父进程先于子进程结束。
• 子进程终止：exit(1) 使子进程主动退出，且不再执行后续代码（因此子进程不会输出 program end.）。
• 输出顺序固定：由于 wait() 的作用，父进程必须等待子进程输出I am child.并终止后，才会继续输出 program end.，因此输出顺序是确定的。

结果

1. 使用wait()函数时，需要在开始加入#include<sys/wait.h>头文件，否则会发生以下报错。
   
   2.wait 函数的声明是 pid_t wait(int *stat_loc);，它需要一个指向 int 的指针作为参数，用于接收子进程的退出状态信息。如果不需要获取子进程的退出状态，可以传递 NULL。

wait() 函数需要一个参数（用于存储子进程的退出状态）

这里根据需要，向wait()函数传入NULL就行了，我并不关注子进程的退出状态。

3.进程的延迟

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>	//fork(),sleep()
int main(){int i,j,k;i=fork();if(i>0)for(j=1;j<=5;j++){sleep(1);printf("I am parent.\n");}elseif(i==0){for(k=1;k<=5;k++){sleep(1);printf("I am child.\n");}}return 0;}

分析

通过fork()系统调用创建一个子进程，父进程i > 0，执行一个循环，从 j=1到 j=5，每次循环休眠1秒后输出 I am parent.。子进程i == 0，执行另一个循环，从 k=1到 k=5，每次循环休眠1秒后输出 I am child.。父子进程并发执行各自的循环逻辑，输出顺序由操作系统调度决定，交替输出“父进程”和“子进程”的提示信息，最终各自完成 5 次输出后结束。

结果

4.进程执行另一程序

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>int main(){int i;char name[20];printf("Please input a directory name:\n");scanf("%s",name);i=fork();	//单独赋值，避免优先级问题if(i==-1){perror("fork failed");return 1;}else if(i==0){execl("/bin/ls","ls","-l",name,NULL);else{}
}

结果

5.编写一段程序

要求：
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：父进程显示字符“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，并分析原因。

代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>int main() {// 创建第一个子进程pid_t pid1 = fork();if (pid1 == -1) {perror("fork failed");return 1;}if (pid1 == 0) {// 第一个子进程：输出 'b'printf("b");return 0; }// 父进程继续创建第二个子进程pid_t pid2 = fork();if (pid2 == -1) {perror("fork failed");return 1;}if (pid2 == 0) {// 第二个子进程：输出 'c'printf("c");return 0; }// 父进程：等待两个子进程结束后输出 'a'wait(NULL); // 等待第一个子进程wait(NULL); // 等待第二个子进程printf("a");return 0;
}

结果

原因分析

1. 进程创建机制：

   • 父进程首先通过 fork() 创建第一个子进程（输出 ‘b’），再创建第二个子进程（输出 ‘c’）。
   • fork() 后，子进程与父进程并发执行，操作系统的进程调度算法决定了它们的执行顺序（内核级调度，不受用户程序直接控制）。

2. 输出顺序不确定性：

   • 三个进程（父进程、子进程1、子进程2）的执行顺序由 CPU 调度决定。例如：
     • 可能子进程1先执行（输出 ‘b’），再子进程2（输出 ‘c’），最后父进程（输出 ‘a’），结果为 bca；
     • 也可能子进程2先执行（输出 ‘c’），再子进程1（输出 ‘b’），最后父进程（输出 ‘a’），结果为 cba。

3. 父进程的等待逻辑：

   • 代码中父进程通过 wait(NULL) 等待两个子进程结束后再输出 ‘a’，因此 ‘a’ 一定在最后输出（避免父进程先于子进程执行）。但两个子进程之间的输出顺序仍不确定。

总结

输出结果中 a 始终在最后，但 b 和 c 的顺序不固定，这是因为 子进程与父进程的执行顺序由操作系统调度算法决定，属于正常的并发执行特性。若需固定顺序，需通过进程同步机制（如信号量、管道）额外控制。