《操作系统原理》实验二：父子进程、线程与进程同步

心已赠人 2023-06-17 04:53 3阅读 0赞

## 一、实验目的 ##

1）理解操作系统线程的概念和应用编程过程；

2）理解线程的同步概念和编程；

## 二、实验内容 ##

1）在Ubantu 或Fedora 环境使用fork 函数创建一对父子进程，分别输出各自的进程号和提示信息串。

2）在Ubantu 或Fedora 环境使用pthread\_create 函数创建2 个线程A 和B。线程A 在屏幕上用while 循环顺序递增地输出1-1000 的自然数；线程B 在屏幕上用while 循环顺序递减地输出1000-1 之间的自然数。为避免输出太快，每隔0.5秒输出一个数。

3）在windows 环境下，利用高级语言编程环境（限定为VS 环境或VC 环境）调用CreateThread 函数实现（2）的功能。

4）在windows 环境下，利用高级语言编程环境（限定为VS 环境或VC 环境）调用CreateThread 函数和相关的同步函数，模拟实现“生产者-消费者”问题。“生产者-消费者”模拟实验的具体要求见后面附件。

5）在windows 环境下，利用高级语言编程环境（限定为VS 环境或VC 环境）调用CreateThread 函数实现“并发地画圆和画方”。圆的中心，半径，颜色，正方形的中心，边长，颜色等参数自己确定，合适就行。圆和正方形的边界上建议取720 个点。为直观展示绘制的过程，每个点绘制后睡眠0.2 秒~0.5 秒。

6）在windows 环境下，利用高级语言编程环境（限定为VS 环境或VC 环境）调用CreateThread 函数实现“文件拷贝小工具”。功能如下：1）具有一个编辑框，让用户任意指定源目录或文件，2）具有一个编辑框，让用户任意指定目的目录或文件；3）具有“开始拷贝”按钮；4）具有“停止拷贝”按钮5）具有显示拷贝进度的label，当为目录拷贝时以文件数来统计进度，当为文件拷贝时以字节数来统计进度。

## 三、实验过程 ##

### 1）使用fork()创建父子进程 ###

①任务环境

Ubuntu版本：16.04 64位

Linux内核版本：4.5.0-29-generic

②编写在Linux新建一个空文档，命名为T2\_1.c

并添加如下代码：

![format_png][]

说明：

由 fork 创建的新进程被称为子进程。该函数被调用一次，但返回两次。两次返回的区别是子进程的返回值是0，而父进程的返回值则是新进程（子进程）的进程 id。子进程可以调用getpid()来获取自己的pid；也可以调用getppid()来获取父进程的id。

fork之后，操作系统会复制一个与父进程完全相同的子进程，虽说是父子关系，但是在操作系统看来，他们更像兄弟关系，这2个进程共享代码空间，但是数据空间是互相独立的，子进程数据空间中的内容是父进程的完整拷贝，指令指针也完全相同，子进程拥有父进程当前运行到的位置

③通过gcc T2\_1.c命令进行编译

![format_png 1][]

④编译产生a.out文件

![format_png 2][]

⑤输入./a.out运行编译后的文件

![format_png 3][]

### 2）Ubuntu下实现1-1000的正反输出 ###

未选题

### 3）Windows下实现1-1000的正反输出 ###

①编写代码：

#include<stdio.h>  
    #include<Windows.h>  
    #include<time.h>  
      
    //线程函数，输出0-1000或1000-0的自然数  
    DWORD WINAPI print1(LPVOID n) {  
        int num = (int)n;  
        int i = 0;  
        time_t lasttime;  
        while (i < num)  
        {  
            time(&lasttime);  
            while (1)  
            {  
                time_t nowtime;  
                time(&nowtime);  
                if (nowtime - lasttime >= 0.5)  
                {  
                    printf("test1->%d\n", i);  
                    i++;  
                    break;  
                }  
            }  
      
        }  
        printf("\n");  
        return 0;  
    }  
      
    DWORD WINAPI print2(LPVOID n) {  
        int num = (int)n;  
        int i = 1000;  
        time_t lasttime;  
        while (i > num)  
        {  
            time(&lasttime);  
            while (1)  
            {  
                time_t nowtime;  
                time(&nowtime);  
                if (nowtime - lasttime >= 0.5)  
                {  
                    printf("test2->%d\n", i);  
                    i--;  
                    break;  
                }  
            }  
      
        }  
        printf("\n");  
        return 0;  
    }  
      
    int main()  
    {  
        HANDLE hThread[2];  
        //创建线程，并调用函数打印输出  
        hThread[0] = CreateThread(NULL, 0, print1, (LPVOID)1000, 0, NULL);  
        hThread[1] = CreateThread(NULL, 0, print2, (LPVOID)1, 0, NULL);  
        //等待所有线程结束  
        WaitForMultipleObjects(2, hThread, TRUE, INFINITE);  
      
        CloseHandle(hThread[0]);  
        CloseHandle(hThread[1]);  
      
        return 0;  
    }

②运行结果：两个线程同时运行，交替输出

![format_png 4][]

### 4）VS环境模拟“生产者-消费者”问题 ###

任务环境：Windows 10 x64 + Visual Studio 2017 Enterprise

代码实现：

#include <Windows.h>  
    #include <stdio.h>  
      
    #define N 100  
    #define TRUE 1  
    typedef int Semaphore;  
    Semaphore full = 0, Empty = N;            //共享资源区满槽数目和空槽数目  
    int in = 0, out = 0;                      //缓冲区生产，消费数据指针  
    HANDLE mutex;  
    int ProducerThread[5];  
    int ConsumerThread[5];  
    int Buffer[N + 4];                          //缓冲区  
      
    int produce_item() {                      //生产(随机数)  
        return (rand() % N + N) % N;  
    }  
      
    //插入资源  
    int insert_item(int item)  
    {  
        in %= N;  
        printf("生产到缓冲区槽： %d\n", in);  
        Buffer[in] = item;  
        return Buffer[in++];  
    }  
      
    //移出资源  
    int remove_item() {  
        out %= N;  
        printf("                       取走缓冲区槽 %d 的数\n", out);  
        return Buffer[out++];  
    }  
      
    void down(HANDLE handle) {                  //wait / P  
        WaitForSingleObject(handle, INFINITE);  
    }  
      
    void up(HANDLE handle) {                    //signal / V  
        ReleaseSemaphore(handle, 1, NULL);  
    }  
      
    DWORD WINAPI producer(LPVOID v) {  
      
        int item;  
      
        while (TRUE) {  
      
            item = produce_item();  
            if (Empty > 0) {           //down(empty)  
                Empty--;  
                down(mutex);          //down(mutex)  
                insert_item(item);  
                full++;               //up(full)  
                up(mutex);            //up(mutex)  
            }  
      
            Sleep(2000);  
        }  
        return 1;  
    }  
      
    DWORD WINAPI consumer(LPVOID v) {  
      
        int item;  
      
        while (TRUE) {  
      
            if (full > 0) {             //down(full)  
                full--;  
                down(mutex);           //down(mutex)  
                item = remove_item();  
                Empty++;               //up(empty)  
                up(mutex);             //up(mutex)  
            }  
      
            Sleep(2000);  
        }  
        return 1;  
    }  
      
    int main()  
    {  
        DWORD Tid;  
      
        mutex = CreateSemaphore(             //创建互斥信号量mutex  
            NULL,  
            1,  
            1,  
            NULL  
        );  
      
        for (int i = 0; i<4; i++) {  
            ProducerThread[i] = i + 1;  
            CreateThread(                    //创建生产者线程  
                NULL,                        //不能被子线程继承  
                0,                           //默认堆栈大小  
                producer,                    //生产者函数  
                &ProducerThread[i],          //传参  
                0,                           //创建后立即执行  
                &Tid                         //线程ID  
            );  
            ConsumerThread[i] = i + 1;  
            CreateThread(NULL, 0, consumer, &ConsumerThread[i], 0, &Tid);   //创建消费者线程  
        }  
      
        Sleep(20000);  
        return 0;  
    }

![format_png 5][]

### 5）Windows下实现并发画圆与画方 ###

任务环境：Windows 10 x64 + Visual Studio 2017 Enterprise

代码实现：

#include<stdio.h>  
    #include<math.h>  
    #include<Windows.h>  
      
    CRITICAL_SECTION cs;//定义临界区全局变量  
      
    //画圆  
    DWORD WINAPI circle(LPVOID n)  
    {  
        EnterCriticalSection(&cs);  
        double m = 0;  
        int cx = 0, cy = 0;  
        for (cy = 10; cy >= -10; cy--)         //表示图形的第y行，通过for循环打印所有行  
        {  
            m = 2.5*sqrt(100 - cy * cy);       //用y作为自变量，根据弦长与纵坐标y的函数关系计算出此行上的弦                                                长的一半也就是两个星形符号之间的距离的一半,并用m表示。  
            for (cx = 1; cx < 50 - m; cx++)        //以50个字符长度为基准根据弦长来确定每行左数第一个星形的位                                                  置，此位置前全印空格  
                printf(" ");  
            printf(".");  
            Sleep(100);  
            for (; cx < 50 + m; cx++)              //以50个字符宽度为基准来确定每行第二个星形的位置  
                printf(" ");  
            printf(".\n");  
            Sleep(100);  
        }  
        LeaveCriticalSection(&cs);  
        return 0;  
    }  
      
    //画方  
    DWORD WINAPI tangle(LPVOID n)  
    {  
        EnterCriticalSection(&cs);  
        int x = 0, y = 0;  
        for (y = 20; y >= 0; y--)  
        {  
            if (y == 20 || y == 0) {  
                for (x = 1; x <= 20; x++)  
                {  
                    printf(" ");  
                    printf(".");  
                    Sleep(100);  
                    printf(" ");  
                }  
                printf("\n");  
            }  
            else if (y != 20 || y != 0)  
            {  
                printf(" ");  
                printf(".");  
                Sleep(100);  
                printf(" ");  
                for (x = 2; x < 20; x++)  
                {  
                    printf(" ");  
                    printf(" ");  
                    printf(" ");  
                }  
                printf(" ");  
                printf(".");  
                Sleep(100);  
                printf(" ");  
                printf("\n");  
      
            }  
        }  
        LeaveCriticalSection(&cs);  
        return 0;  
    }  
      
    int main()  
    {  
        //初始化临界区  
        InitializeCriticalSection(&cs);  
      
        HANDLE hThread[2];  
        //创建线程，并调用函数打印输出  
        hThread[0] = CreateThread(NULL, 0, circle, (LPVOID)0, 0, NULL);  
        hThread[1] = CreateThread(NULL, 0, tangle, (LPVOID)0, 0, NULL);  
        //等待所有线程结束  
        WaitForMultipleObjects(2, hThread, TRUE, INFINITE);  
      
        CloseHandle(hThread[0]);  
        CloseHandle(hThread[1]);  
      
        //删除临界区  
        DeleteCriticalSection(&cs);  
      
        getchar();  
      
        return 0;  
    }

![format_png 6][]

### 6）Windows下实现文件拷贝 ###

未选题

## 四、实验结果 ##

### 1）使用fork()创建父子进程 ###

![format_png 3][]

父子进程成功创建，并输出了各自的进程号和提示信息串

### 2）Ubuntu下实现1-1000的正反输出 ###

未选题

### 3）Windows下实现1-1000的正反输出 ###

![format_png 4][]

两个线程同时运行，交替输出

### 4）VS环境模拟“生产者-消费者”问题 ###

![format_png 5][]

结果如图所示

### 5）Windows下实现并发画圆与画方 ###

![format_png 6][]

两个线程同时运行，实现了并发的画圆与画方

### 6）Windows下实现文件拷贝 ###

未选题

## 五、体会 ##

通过本次实验，我对操作系统线程的概念和生成过程、操作系统线程的同步概念有了更深刻的理解，掌握了如何在Linux与Windows下创建线程，对操作系统的功能与原理有了进一步的了解。

[format_png]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cDovL2RvY2ltZy5uY21lbS5jb20vNDAwL2MyNDdkYjQ0LnBuZw?x-oss-process=image/format,png
[format_png 1]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cDovL2RvY2ltZy5uY21lbS5jb20vNDAwLzViYTVmMDgzLnBuZw?x-oss-process=image/format,png
[format_png 2]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cDovL2RvY2ltZy5uY21lbS5jb20vNDAwL2FiYTJkMWViLnBuZw?x-oss-process=image/format,png
[format_png 3]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cDovL2RvY2ltZy5uY21lbS5jb20vNDAwL2NmNDFlNDUyLnBuZw?x-oss-process=image/format,png
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[format_png 5]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cDovL2RvY2ltZy5uY21lbS5jb20vNDAwL2JjMGMwN2ZmLnBuZw?x-oss-process=image/format,png
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