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《操作系统原理及应用》实验指导书
实验三 进程观察实验（一）：多进程环境
实验目的
1、掌握进程的概念.认识进程并发执行的实质.
2、能够使用系统调用完成进程的创建,形成多进程并发执行的环境.
实验内容
1 、通过相关命令,认识Linux是一个多任务多进程操作系统。观察当前终端上启动的所有进程,列出
系统中所有进程,显示系统中的进程状态。
2、编写程序，使用fork( )创建两个子进程。观察并分析在程序运行过程中的进程状态变化。
实验基础
一、LINUX进程
引入进程概念，是为了描述多道程序的并发执行。因此用进程来描述程序的一次执行。为了执行一个程序，首先要创建进程。资源足够时，os为进程分配内存资源。虚存中的进程映像，包括了进程所需内存的全部内容：程序和相关数据；操作系统利用PCB来控制和管理进程，其中为每个进程赋予惟一的进程标识符就放在PCB中；进程执行的局部变量放在栈中；还有共享存储区。
进程是资源分配的基本单位，也是系统调度的基本单位。多进程并发执行，在单处理器中，就是多个进程轮流占用CPU，交替执行。哪个进程占用CPU是操作系统调度的结果。
Linux进程树 引导过程：首先，计算机电源打开，进行加电自检(POST)；然后寻找引导程序：从磁盘0号块读出引导程序装入内存，创建了第一个进程（进程0），再由引导程序从硬盘根目录下把/LNIX操作系统映像安装到内存，创建了它的第一个子进程，即init（进程1），进程1成为系统其他所有进程的祖先进程。
在UNIX中经常要发生进程在内存与磁盘之间的转换，称为进程的换出换进。UNIX中的0进程也称为交换进程（swapper），它的任务就是把进程换进或换出,是系统中唯一的核心态进程。在系统初始化交换进程就开始工作，它执行sched程序来完成换进换出的工作。Init进程决不会终止。它是一个普通的用户进程，但它以超级用户特权运行。
登录：首先，init确信对于终端连接（或控制台）有一个对应的getty程序。getty在终端上侦听并且等待用户通告他已准备好登录（这通常意味着用户必须键入些什么）。当它注意到一个用户，getty输出一段欢迎消息（存储于/etc/issue），提示输入用户名，并且最终运行login程序。login将用户名作为参数，提示用户输入口令。如果不匹配，它就退出并终止该进程（也许是在给用户另一个输入用户名和口令的机会以后）。init注意到这个进程终止以后，就开始为该终端运行一个新的getty程序。如果这些都匹配的话，login开始运行为该用户配置的shell，等待用户命令的输入；并且自动装载日期，安装文件系统，启动假脱机，初始化网络服务，运行保护程序，清除系统临时区和用户临时区文件。
执行命令：进程1负责为每个终端建立一个进程，执行shell解释程序。shell解释程序分析输入的命令，找到相应的命令执行文件，并为之建立一个子进程来执行这个命令，一旦命令执行完毕，相应的子进程即被撤销。
在Linux系统中，进程0为交换进程，进程1为init初始化进程。只有0进程是在系统引导时
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被创建的，在系统初启时由0进程创建1进程，以后0进程变成对换进程，1进程成为系统中的始祖进程。
Linux系统中所有进程都是相互联系的。除了初始化进程外，所有进程都有一个父进程。新进程不是被创建，而是被复制，或者从以前的进程复制而来。Linux系统中所有的进程都是由一个进程号为1的init进程衍生而来的。而我们在Shell下执行程序启动的进程则是Shell进程的子进程，当然我们启动的进程可以再启动自己的子进程。这样形成了一棵进程树，每个进程都是树中的一个节点，其中树的根是init。一个进程可以按自己的意愿或受外部事件的影响而请求终止，进程终止时由其父进程作善后处理。
Linux利用fork( )为每个终端创建一个子进程为用户服务，如等待用户登录、执行SHELL命令解释程序等，每个终端进程又可利用fork( )来创建其子进程，从而形成一棵进程树。可以说，系统中除0进程外的所有进程都是用fork( )创建的。
二、所涉及的命令
（1）查看系统目前的进程 ps 执行格式： # ps [-auf]
-a 列出当前终端上启动的所有进程；
-t 列出指定终端上启动的所有进程； 如 ps –t pts/1 -u 列出指定用户的所有进程； 如 ps –u lily
-e列出系统中所有进程；-f 以full格式列出； -l以long格式列出；
例：ps -af|grep apa 找出当前终端上启动的进程中所有名称中带有\串的进程
其中,UID表示该进程的创建用户号,PID表示该进程号,PPID表示该进程的父进程号, CMD表示产生该进程的命令。 tty值为“？”表示是守护进程。
（2）显示系统中的进程状态
执行格式： # top 每隔5s统计显示一次系统中的进程状态 # top -q 不断地更新、显示系统中的进程状态
第一行显示的项目依次为当前时间、系统启动时间、当前系统登录用户数目、平均负载。 第二行为进程情况，依次为进程总数、休眠进程数、运行进程数、僵死进程数、终止进程数。 第三行为CPU状态，依次为用户占用、系统占用、优先进程占用、闲置进程占用。
第四行为内存状态，依次为平均可用内存、已用内存、空闲内存、共享内存、缓存使用内存。 第五行为交换状态，依次为平均可用交换容量、已用容量、闲置容量、高速缓存容量。 PID 每个进程的ID。
PPID 每个进程的父进程ID。 UID 每个进程所有者的UID 。 USER 每个进程所有者的用户名。 PRI 每个进程的优先级别。 NI 该进程的优先级值。
SIZE 该进程的代码大小加上数据大小再加上堆栈空间大小的总数。单位是KB。 TSIZE 该进程的代码大小。对于内核进程这是一个很奇怪的值。 DSIZE 数据和堆栈的大小。 TRS 文本驻留大小。
D 被标记为“不干净”的页项目。
LIB 使用的库页的大小。对于ELF进程没有作用。 RSS 该进程占用的物理内存的总数量，单位是KB。 SHARE 该进程使用共享内存的数量。
STAT 该进程的状态。其中S代表休眠状态；D代表不可中断的休眠状态；R代表运行状态；Z代表僵死状态；T代表停止或跟踪状态。
TIME 该进程自启动以来所占用的总CPU时间。如果进入的是累计模式，那么该时间还包括这个进程子进程所占用的时间。且标题会变成CTIME。
%CPU 该进程自最近一次刷新以来所占用的CPU时间和总时间的百分比。 %MEM 该进程占用的物理内存占总内存的百分比。
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COMMAND 该进程的命令名称，如果一行显示不下，则会进行截取。内存中的进程会有一个完整的命令行。
按\停止查看
（7）以树状图显示进程 pstree
例: pstree -h 列出进程树并高亮标出当前进程 此命令可展示出系统中的进程树结构。
其中，init是1号进程，系统所有进程都是它派生的。 （8）监视虚拟内存 vmstat
vmstat对系统的虚拟内存、进程、CPU活动进行监视，同时它也对磁盘和forks和vforks操作的个数进行汇总。
不足是：vmstat不能对某个进程进行深入分析，它仅是一对系统的整体情况进行分析。例如： # vmstat
procs memory swap io system cpu
r b w swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id 0 0 0 7180 1852 56092 48400 0 0 6 5 24 8 0 0 18 其中： Procs
r: 等待运行的进程数 b: 处在非中断睡眠状态的进程数 w: 被交换出去的可运行的进程数。 Memory
swpd: 虚拟内存使用情况，单位：KB free: 空闲的内存，单位KB buff: 被用来做为缓存的内存数，单位：KB Swap
si: 从磁盘交换到内存的交换页数量，单位：KB/秒 so: 从内存交换到磁盘的交换页数量，单位：KB/秒 IO
bi: 发送到块设备的块数，单位：块/秒 bo: 从块设备接收到的块数，单位：块/秒 System
in: 每秒的中断数，包括时钟中断 cs: 每秒的环境（上下文）切换次数 CPU 按 CPU 的总使用百分比来显示
us: CPU 使用时间 sy: CPU 系统使用时间 id: 闲置时间
以下两个命令可用于程序的跟踪观察。
（9）监视用户空间程序发出的全部系统调用 strace
strace 还能显示调用的参数，以及用符号方式表示的返回值。
strace 从内核中接收信息，所以一个程序无论是否按调试方式编译(gcc -g)或是否被去掉
了调试信息，都可以被跟踪。
执行格式： strace [-tTeo] executable-program-name -t ： 用来显示调用发生的时间 -T ： 显示调用花费的时间 -e ： 限定被跟踪的调用类型
-o ： 将输出重定向到一个文件中
类似命令：ltrace [-fiS] executable-program-name
（10）ltrace ：解释并记录执行程序调用的动态链接库以及进程接收到的信号。也解释并打印程序执行的系统调用。
-f 跟踪子进程。
-i 库调用时打印指令指针。 -S 显示系统调用和库调用
可用ltrace -f -i -S ./executable-file-name查看指定程序的执行过程。
三、所涉及的系统调用
1、fork( ) 创建一个新进程。 系统调用格式： pid=fork( )
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PC 函数原型： int fork( ) fork( )返回值意义如下：
0：在子进程中，pid变量保存的fork( )返回值为0，表示当前进程是子进程。
>0：在父进程中，pid变量保存的fork( )返回值为子进程的id值（进程唯一标识符）。 -1：创建失败。
如果fork( )调用成功，它向父进程返回子进程的PID，并向子进程返回0，即fork( )被调用了一次，但返回了两次。此时OS在内存中建立一个新进程，所建的新进程是父进程（parent process）的副本，称为子进程（child process）。子进程继承了父进程的许多特性，并具有与父进程完全相同的用户级上下文。父进程与子进程并发执行。
核心为fork( )完成以下操作：
（1）为新进程分配一进程表项和进程标识符
进入fork( )后，核心检查系统是否有足够的资源来建立一个新进程。若资源不足，则fork( )系统调用失败；否则，核心为新进程分配一进程表项和唯一的进程标识符。
（2）检查同时运行的进程数目
超过预先规定的最大数目时，fork( )系统调用失败。 （3）拷贝进程表项中的数据
将父进程的当前目录和所有已打开的数据拷贝到子进程表项中，并置进程的状态为“创建”状态。
（4）子进程继承父进程的所有文件
对父进程当前目录和所有已打开的文件表项中的引用计数加1。 （5）为子进程创建进程上、下文
进程创建结束，设子进程状态为“内存中就绪”并返回子进程的标识符。 （6）子进程执行
虽然父进程与子进程程序完全相同，但每个进程都有自己的程序计数器PC(注意子进程的PC开始位置)，然后根据pid变量保存的fork( )返回值的不同，执行了不同的分支语句。
例：
…..
pid=fork( );
if (! pid)
printf(\
else if (pid>0)
printf(\
else
printf(\
…… fork( )调用前
fork( )调用后
….. ….. pid=fork( ); pid=fork( ); if (! pid) if (! pid) printf(\ printf(\ else if (pid>0) else if (pid>0) printf(\ printf(\ else else printf(\ printf(\ …… …… PC PC (2) 获取进程的PID
得到当前进程的PID。函数原型： int getpid()
得到当前进程的父进程的PID。函数原型： int getppid() （3）system()：在程序中运行一个命令
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