一 程序的建立實驗

實驗目的
1、掌握程序的概念，明確程序的含義
2、認識並瞭解併發執行的實質

實驗內容
1、編寫一段程式，使用系統呼叫fork( )建立兩個子程序。當此程式執行時，在系統中有一個父程序和兩個子程序活動。讓每一個程序在螢幕上顯示一個字元：父程序顯示'a'，子程序分別顯示字元'b'和字元'c'。試觀察記錄螢幕上的顯示結果，並分析原因。
2、修改上述程式，每一個程序迴圈顯示一句話。子程序顯示'daughter  …'及'son  ……'，父程序顯示 'parent  ……'，觀察結果，分析原因。

實驗準備
（1）閱讀LINUX的fork.c原始碼檔案，分析程序的建立過程。
（2）閱讀LINUX的sched.c原始碼檔案，加深對程序管理概念的認識。

實驗指導
一、程序
UNIX中，程序既是一個獨立擁有資源的基本單位，又是一個獨立排程的基本單位。一個程序實體由若干個區（段）組成，包括程式區、資料區、棧區、共享儲存區等。每個區又分為若干頁，每個程序配置有唯一的程序控制塊PCB，用於控制和管理程序。
PCB的資料結構如下：
1、程序表項（Process  Table  Entry）。包括一些最常用的核心資料：
程序識別符號PID、使用者識別符號UID、程序狀態、事件描述符、程序和U區在記憶體或外存的地址、軟中斷訊號、計時域、程序的大小、偏置值nice、指向就緒佇列中下一個PCB的指標P_Link、指向U區程序正文、資料及棧在記憶體區域的指標。
2、U區（U Area）。用於存放程序表項的一些擴充資訊。
每一個程序都有一個私用的U區，其中含有：程序表項指標、真正使用者識別符號u-ruid(read  user  ID)、有效使用者識別符號u-euid(effective  user  ID)、使用者檔案描述符表、計時器、內部I/O引數、限制欄位、差錯欄位、返回值、訊號處理陣列。
由於UNIX系統採用段頁式儲存管理，為了把段的起始虛地址變換為段在系統中的實體地址，便於實現區的共享，所以還有：
3、系統區表項。以存放各個段在物理儲存器中的位置等資訊。
系統把一個程序的虛地址空間劃分為若干個連續的邏輯區，有正文區、資料區、棧區等。這些區是可被共享和保護的獨立實體，多個程序可共享一個區。為了對區進行管理，核心中設定一個系統區表，各表項中記錄了以下有關描述活動區的資訊：
區的型別和大小、區的狀態、區在物理儲存器中的位置、引用計數、指向檔案索引結點的指標。
4、程序區表
系統為每個程序配置了一張程序區表。表中，每一項記錄一個區的起始虛地址及指向系統區表中對應的區表項。核心通過查詢程序區表和系統區表，便可將區的邏輯地址變換為實體地址。
二、程序映像
UNIX系統中，程序是程序映像的執行過程，也就是正在執行的程序實體。它由三部分組成：
1、使用者級上、下文。主要成分是使用者程式；
2、暫存器上、下文。由CPU中的一些暫存器的內容組成，如PC，PSW，SP及通用暫存器等；
3、系統級上、下文。包括OS為管理程序所用的資訊，有靜態和動態之分。
三、所涉及的系統呼叫
1、fork(  )    
建立一個新程序。 
系統呼叫格式： 
pid=fork( )
引數定義：
int  fork(  )
fork(  )返回值意義如下：
0：在子程序中，pid變數儲存的fork(  )返回值為0，表示當前程序是子程序。
>0：在父程序中，pid變數儲存的fork(  )返回值為子程序的id值（程序唯一識別符號）。
-1：建立失敗。
如果fork( )呼叫成功，它向父程序返回子程序的PID，並向子程序返回0，即fork( )被呼叫了一次，但返回了兩次。此時OS在記憶體中建立一個新程序，所建的新程序是呼叫fork( )父程序（parent process）的副本，稱為子程序（child process）。子程序繼承了父程序的許多特性，並具有與父程序完全相同的使用者級上下文。父程序與子程序併發執行。
核心為fork( )完成以下操作：
（1）為新程序分配一程序表項和程序識別符號
進入fork( )後，核心檢查系統是否有足夠的資源來建立一個新程序。若資源不足，則fork( )系統呼叫失敗；否則，核心為新程序分配一程序表項和唯一的程序識別符號。
（2）檢查同時執行的程序數目
超過預先規定的最大數目時，fork( )系統呼叫失敗。
（3）拷貝程序表項中的資料
將父程序的當前目錄和所有已開啟的資料拷貝到子程序表項中，並置程序的狀態為“建立”狀態。
（4）子程序繼承父程序的所有檔案
對父程序當前目錄和所有已開啟的檔案表項中的引用計數加1。
（5）為子程序建立程序上、下文
程序建立結束，設子程序狀態為“記憶體中就緒”並返回子程序的識別符號。
（6）子程序執行
雖然父程序與子程序程式完全相同，但每個程序都有自己的程式計數器PC(注意子程序的PC開始位置)，然後根據pid變數儲存的fork(  )返回值的不同，執行了不同的分支語句。

四、參考程式
1、
#include <stdio.h>
main( )
{
int p1,p2;
while((p1=fork( ))= = -1);        /*建立子程序p1*/
if (p1= =0)  putchar('b');        
else 
{ 
while((p2=fork( ))= = -1);   /*建立子程序p2*/
if(p2= =0)  putchar('c');   
else  putchar('a');     
}
}
2、
#include <stdio.h>
main( )
{
int p1,p2,i;
while((p1=fork( ))= = -1);          /*建立子程序p1*/
if (p1= =0)
  for(i=0;i<10;i++)
printf("daughter  %d/n",i);
else
{
                while((p2=fork( ))= = -1);   /*建立子程序p2*/
if(p2= =0)
                  for(i=0;i<10;i++)
                       printf("son  %d/n",i);
else
                  for(i=0;i<10;i++)
                       printf("parent  %d/n",i);
}
}

五、執行結果
1、bca，bac, abc ,……都有可能。
2、parent…
son…
daughter..
daughter..
或  parent…
son…
parent…
daughter…等
六、分析原因
除strace 外，也可用ltrace  -f  -i  -S  ./executable-file-name檢視以上程式執行過程。
1、從程序併發執行來看，各種情況都有可能。上面的三個程序沒有同步措施，所以父程序與子程序的輸出內容會疊加在一起。輸出次序帶有隨機性。
2、由於函式printf( )在輸出字串時不會被中斷，因此，字串內部字元順序輸出不變。但由於程序併發執行的排程順序和父子程序搶佔處理機問題，輸出字串的順序和先後隨著執行的不同而發生變化。這與列印單字元的結果相同。
補充：程序樹
在UNIX系統中，只有0程序是在系統引導時被建立的，在系統初啟時由0程序建立1程序，以後0程序變成對換程序，1程序成為系統中的始祖程序。UNIX利用fork( )為每個終端建立一個子程序為使用者服務，如等待使用者登入、執行SHELL命令解釋程式等，每個終端程序又可利用fork( )來建立其子程序，從而形成一棵程序樹。可以說，系統中除0程序外的所有程序都是用fork( )建立的。
七、思考題
（1）系統是怎樣建立程序的？
（2）當首次呼叫新建立程序時，其入口在哪裡？