操作系统--实验一实验报告

操作系统课程实验指导书
【实验名称】：并发程序设计（实验1）
【实验目的】：掌握在程序中创建新进程的方法，观察并理解多道程序并发执行的现象。

【实验原理】：fork():建立子进程。

子进程得到父进程地址空间的一个复制。

返回值：成功时，该函数被调用一次，但返回两次，fork（）对子
进程返回0，对父进程返回子进程标识符（非0值）。

不成功时对
父进程返回-1，没有子进程。

【实验内容】：首先分析一下程序运行时其输出结果有哪几种可能性，然后实际调试该程序观察其实际输出情况，比较两者的差异，分析其中的原
因。

void main (void)
{ int x=5;
if( fork( ) )
{
x+=30;
printf (“%d\n”,x);
}
else
printf(“%d\n”,x);
printf((“%d\n”,x);
}
【实验要求】：每个同学必须独立完成本实验、提交实验报告、源程序和可执行程序。

实验报告中必须包含预计的实验结果，关键代码的分析，
调试记录，实际的实验结果，实验结果分析等内容。

【预计的实验结果】
35
5
35
5
【关键代码分析】
1，这个实验代码只有几行，看起来很简单。

可以看到，重点就是fork()函数和一个if else 条件分支语句。

2，关于fork()函数，它是Linux的系统调用。

函数定义：
int fork( void );
返回值：
子进程中返回0，父进程中返回子进程ID，出错返回-1
函数说明：
一个现有进程可以调用fork函数创建一个新进程。

由fork创建的新进程被称为子进程（child process）。

fork函数被调用一次但返回两次。

两次返回的唯一区别是子进程中返回0值而父进程中返回子进程ID。

子进程是父进程的副本，它将获得父进程数据空间、堆、栈等资源的副本。

注意，子进程持有的是上述存储空间的“副本”，这意味着父子进程间不共享这些存储空间，它们之间共享的存储空间只有代码段。

3，如果不知道fork()函数的作用的话，一定会对为什么会有两组输出结果感到疑惑。

我们知道，英文单词fork有分岔，叉子的意思，这就很形象地描述了fork()的作用。

简单地说，程序段调用了fork()之后，程序出现了分岔，系统派生出一个跟主程序一模一样的子进程。

可以这样想象，2个进程一直同时运行，而且步调一致，在fork之后，他们分别作不同的工作，也就是分岔了。

4，一个进程表示的，就是一个可执行程序的一次执行过程中的一个状态。

当这个程序执行if(fork()) 时，操作系统创建一个新的进程（子进程），并且在进程表中相应为它建立一个新的表项。

新进程和原有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copy，但它们是两个相互独立的进程！
在父进程中，程序继续执行，根据Linux操作系统对fork的实现（假定这里fork()执行成功了），这个函数会返回刚刚创建的子进程的pid（肯定不为零）。

所以在if中的判断语句为true，程序执行<x+=30; printf (“%d\n”,x);> 这些代码，因此父进程的x变量被赋值为35，并输出。

子进程在之后的某个时候得到调度，它的上下文被换入，占据 CPU，操作系统对fork的实现，使得子进程中fork函数返回整数0。

所以在这个子进程if的判断语句为false。

因而它就会进入else语句执行<printf(“%d\n”,x);>。

因为子进程从父进程复制过来的x的值是5，也没有被重新赋值，所以这里子进程会输出5。

再提一下，fork前父进程的东西子进程可以继承，而在fork后子进程没有任何和父进程的继承关系了。

在子进程里创建的东西是子进程的，在父进程创建的东西是父进程的。

可以完全看成普通的两个进程。

所以在执行printf((“%d\n”,x); 的时候，父子进程当然都会执行它，因为他们本身程序段里都有这句代码。

而x的值的则分别看父进程和子进程此时x的值，父进程输出35，子进程输出5。

其实这里的情况已经和明了了，这里就是两个没有牵连的程序，他们各自该怎么执行就怎么执行，跟以前我们接触的普通程序一样。

一句话，执行自己的进程，甬管别的进程。

【调试记录】
这段代码基本上没有什么运行的问题，在这里我就用gdb来跟踪查看一下这个代码的运行情况。

(shell下) $gdb //进入gdb调试器
在< if(fork()) { > 这行加个断点，执行run命令，就可以在fork执行之前停下来，此时变量x的值为5。

执行next命令，终端立即打印出5\n5\n，我们知道这里是父进程创建的子进程在执行，而且已经执行完了。

所以我们可以很清楚的看到，fork()之后，子进程被创建，并与父进程在宏观上并行执行。

因为父进程正在被调试中，所以子进程自己先执行完了。

此时断点在< x+=30; >这行代码，执行完剩下的代码后终端打印35\n35，调试结束。

【实际的实验结果】
35
35
5
5
【实验结果分析】
从实际的实验结果来看，父进程比子进程更先执行完，但我们应该记住，对于fork()来说，父子进程的优先级是一样的，至于父进程和子进程谁先执行，则与操作系统的调度算法等等诸多因素。

因此不能保证这个实验结果就是唯一的。

至于其中的运行细节分析，已在关键代码分析中叙述，这里不再赘述。

【附加分析】
这里讨论一个有趣的代码段：
void main(void) {
printf("string");
if(fork()) {
printf("\n", x);
} else {
printf("\n", x);
}
}
执行结果是string\nstring\n。

如果我们在把printf(“string”);改为printf(“string\n”);，也就是价格换行符，执行结果是string\n\n\n
这是为什么呢？
其实这跟printf函数的缓冲机制有关,在printf某些内容时,操作系统仅仅是把该内容放到了stdout（标准输出）的缓冲队列里了,并没有实际的写到屏幕（终端）上。

但是,只要看到有 \n 则会立即刷新stdout,因此就马上能够打印在屏幕上了. 在运行了printf("string") 后, string 仅仅是被放到了缓冲里而已,再运行到fork时,缓冲里面的 string 被子进程继承了。

因此在子进程度stdout缓冲里面就也有了 string。

所以,最终结果是 string 被printf了2次。

而运行 printf("string\n")后, string 被立即打印到了屏幕上,之后fork到的子进程里的stdout缓冲里不会有 string 内容。

因此结果会是 string 被printf了1次。