實驗1 程序

1.目的

通過觀察、分析實驗現象，深入理解程序及程序在排程執行和記憶體空間等方面的特點，掌握在POSIX 規範中fork和kill系統呼叫的功能和使用。 

實驗前準備

  學習man 命令的用法，通過它檢視fork 和kill 系統呼叫的線上幫助，並閱讀參考資料，學會fork 與kill 的用法。複習C 語言的相關內容。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h> 
#include <signal.h>
#include <ctype.h> 
 

/* 允許建立的子程序個數最大值 */
#define MAX_CHILD_NUMBER 10 
/* 子程序睡眠時間 */
#define SLEEP_INTERVAL 2 
int proc_number=0; 
/* 子程序的自編號，從0開始 */
void do_something();
int main(int argc, char* argv[])
{   
     /* 子程序個數 */
      int child_proc_number = MAX_CHILD_NUMBER; 
      int i,ch; 
      pid_t child_pid; 
      pid_t pid[10
 
]={0}; /* 存放每個子程序的id */ 
      if (argc > 1) /* 命令列引數第一個引數表示子程序個數*/ 
     {
           child_proc_number = atoi(argv[1]); 
           child_proc_number= (child_proc_number > 10) ? 10 : child_proc_number; 
      } 
     for (i=0; i<child_proc_number; i++) 
     { 
    child_pid=fork();
        if(child_pid!=0
 
)
    {
        pid[i]=child_pid;
    }
     else
     {
    /* 填寫程式碼，建立child_proc_number個子程序要執行
     * proc_number = i; 
     * do_something(); 
     * 父程序把子程序的id儲存到pid[i] 
     * */ 
        proc_number=i;
        do_something();
     }
}
      /* 讓使用者選擇殺死程序，數字表示殺死該程序，q退出 */
      while ((ch = getchar()) != 'q')     
     { 
            if (isdigit(ch))  
            { 
             /*  填寫程式碼，向pid[ch-'0']發訊號SIGTERM，*殺死該子程序 */ 
             kill(pid[ch-'0'],SIGTERM);
           }
      } 
      /* 在這裡填寫程式碼，殺死本組的所有程序 */ 
        kill(0,SIGTERM);
    return 0;
} 

void do_something() 
{ 
     for(;;)  
     {  
      printf("This is process No.%d and its pid is %d\n", proc_number,  getpid());
      sleep(SLEEP_INTERVAL); /* 主動阻塞兩秒鐘 */  
     } 
}

執行情況:

[email protected]:~/文件/os$ ./process 3
This is process No.2 and its pid is 3540
This is process No.1 and its pid is 3539
This is process No.0 and its pid is 3538
This is process No.1 and its pid is 3539
This is process No.0 and its pid is 3538
This is process No.2 and its pid is 3540
1
This is process No.0 and its pid is 3538
This is process No.2 and its pid is 3540
2
This is process No.0 and its pid is 3538
3
已終止

kill()函式用於刪除執行中的程式或者任務。呼叫格式為：
kill(int PID, int IID)；
其中：PID是要被殺死的程序號，IID為向將被殺死的程序傳送的中斷號.

實驗3 執行緒

目的

 通過觀察、分析實驗現象，深入理解執行緒及執行緒在排程執行和記憶體空間等方面的特點，並掌握執行緒與程序的區別。掌握POSIX 規範中pthread_create() 函式的功能和使用方法。 

實驗前準備

 閱讀參考資料，瞭解執行緒的建立等相關係統呼叫。 

/*  POSIX 下執行緒控制的實驗程式殘缺版 */ 
#include <stdio.h> 
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h> 
#include <ctype.h>
#include <pthread.h> 

#define MAX_THREAD 3 /* 執行緒的個數 */
unsigned long long main_counter, counter[MAX_THREAD]; 
/* unsigned long  long是比long還長的整數 */
void* thread_worker(void*); 
int main(int argc, char* argv[])
{       
    int i, rtn, ch;      
     pthread_t pthread_id[MAX_THREAD] = {0}; /* 存放執行緒id*/ 
      for (i=0; i<MAX_THREAD; i++)
      {          
          /* 在這裡填寫程式碼，用pthread_create建一個普通的執行緒,執行緒id存入pthread_id[i]，執行緒執行函式是thread_worker並i作為引數傳遞給執行緒 */
          rtn=pthread_create(& pthread_id[i],NULL,(void *)thread_worker,i);     
      }      
       do 
       {
        /* 使用者按一次回車執行下面的迴圈體一次。按q退出 */
         unsigned long long sum = 0;         
         /* 求所有執行緒的counter的和 */
         for (i=0; i<MAX_THREAD; i++)  
         {
           /* 求所有counter的和 */
           sum += counter[i]; 
           printf("%llu ", counter[i]);  
          }
         printf("%llu/%llu", main_counter, sum);   
     }  while ((ch = getchar()) != 'q'); 
     return 0; 
} 
void* thread_worker(void* p) 
{      
    int thread_num;  
    /* 在這裡填寫程式碼，把main中的i的值傳遞給thread_num */
    thread_num=p; 
    for(;;) 
     {    
         /* 無限迴圈 */ 
          counter[thread_num]++; /* 本執行緒的counter加一*/ 
          main_counter++; /* 主counter 加一 */    
      }  
}

執行情況

zach@zach-i16:~/文件/os$ ./process3
0 3439 0 3781/3439
147825977 173501711 76050439 278869308/397378126
425287134 219440108 121358850 536654323/766086076
640152823 368891179 198391806 847618905/1207435792
738229522 599211834 248175335 1113963652/1585616684
968491690 636516600 286022645 1327432250/1891030934q

可以從執行情況看出main_counter(總的迴圈次數)和sum(3個執行緒各自迴圈次數的總和)值不相等，但理論上兩個數的值應該是相等的.

因為假設main_counter=0時，當執行緒1還沒有完成加1操作的時候，main_counter還是為0此時執行緒2也開始執行main_counter++,兩執行緒各執行一次加1操作，執行緒1將main_counter值變為1，執行緒2也將main_的值變為1，導致main_counter實際只加了1，比理論值偏小.

為了解決這一問題，給輸出的時候加鎖:

#include <stdio.h> 
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h> 
#include <ctype.h>
#include <pthread.h> 

#define MAX_THREAD 3 /* 執行緒的個數 */
unsigned long long main_counter, counter[MAX_THREAD]; 
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
/* unsigned long  long是比long還長的整數 */
void* thread_worker(void*); 
int main(int argc, char* argv[])
{        int i, rtn, ch;      
     pthread_t pthread_id[MAX_THREAD] = {0}; /* 存放執行緒id*/ 
         for (i=0; i<MAX_THREAD; i++)       
      {        
        rtn=pthread_create(&pthread_id[i],NULL,(void *)thread_worker,i);
      }     
       do {
           pthread_mutex_lock(&mutex);
                   unsigned long long sum = 0;    
           for (i=0; i<MAX_THREAD; i++) 
          {                 
                sum += counter[i];              
                    printf("%llu ", counter[i]);
          }  
           printf("%llu/%llu", main_counter, sum);
               pthread_mutex_unlock(&mutex);   
           }  while ((ch = getchar()) != 'q');
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    return 0;  
}               
 void* thread_worker(void* p)
 {      
     int thread_num;  
     thread_num=p;
     /* 在這裡填寫程式碼，把main中的i的值傳遞給thread_num */ 

     for(;;)
      { /* 無限迴圈 */
          pthread_mutex_lock(&mutex);       
          counter[thread_num]++; /* 本執行緒的counter加一 */ 
          main_counter++; /* 主counter 加一 */
          pthread_mutex_unlock(&mutex);   
      }
 }      

執行情況:

zach@zach-i16:~/文件/os$ ./process3
466 0 0 466/466
2470436 2513089 2641403 7624928/7624928
4676030 5015065 5015462 14706557/14706557
7866636 8291442 8161852 24319930/24319930
12619489 12585861 12681943 37887293/37887293
13956112 13899913 14071728 41927753/41927753
16308110 15997805 16218050 48523965/48523965
16980084 16692473 16886541 50559098/50559098q

注意因為pthread庫不是Linux系統預設的庫，所以編譯時應該連線庫函式

gcc process3.c -l pthread -o process3

實驗4 互斥

目的

   通過觀察、分析實驗現象，深入理解理解互斥鎖的原理及特點掌握在POSIX 規範中的互斥函式的功能及使用方法。 

實驗前準備

準備好上節實驗完成的程式thread.c 。
閱讀參考資料，瞭解互斥鎖的加解鎖機制及相關的系統呼叫。

實驗內容

//* POSIX 下執行緒死鎖的演示程式 */ 
#include <stdio.h> 
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h> 
#include <ctype.h>
#include <pthread.h> 
#define LOOP_TIMES 10000 
pthread_mutex_t mutex1 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
           /*用巨集PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER來初始化 */
pthread_mutex_t mutex2 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void* thread_worker(void*);
void critical_section(int thread_num, int i);
int main(void) 
 {     
      int rtn, i;     
      pthread_t pthread_id = 0; /* 存放子執行緒的id */ 
          rtn = pthread_create(&pthread_id, NULL, thread_worker, NULL ); 
      if(rtn != 0) 
      {           
      printf("pthread_create ERROR!\n");        
          return -1; 
      } 
      for (i=0; i<LOOP_TIMES; i++)  
      {            
         pthread_mutex_lock(&mutex1);   
         pthread_mutex_lock(&mutex2);   
         critical_section(1, i); 
             pthread_mutex_unlock(&mutex2); 
         pthread_mutex_unlock(&mutex1);    
       }
       pthread_mutex_destroy(&mutex1);
       pthread_mutex_destroy(&mutex2); 
       return 0;
 } 
void* thread_worker(void* p) 
 { 
      int i; 
      for (i=0; i<LOOP_TIMES; i++)
      { 
        pthread_mutex_lock(&mutex1);//本來是先2後1，這裡鎖的順序變一下，變為先1後2
    pthread_mutex_lock(&mutex2); 
    critical_section(2, i); 
    pthread_mutex_unlock(&mutex2);
    pthread_mutex_unlock(&mutex1);
      }
} 
void critical_section(int thread_num, int i)
{ 
      printf("Thread%d: %d\n", thread_num,  i);
}