本次实验全部基于Ubuntu 16.04完成
代码托管于GitHub: https://github.com/hnjia00/OS2019

最近的课程正在讲述进程有关的知识，老师说进程是面试的时候面试官最喜欢提问的话题，也是区分科班操作系统出身学生的一个标准，所以这部分内容和习题的实践性要远强于第一次。

Q1.

打开一个vi进程。通过ps命令以及选择合适的参数，只显示名字为vi的进程。寻找vi进程的父进程，直到init进程为止。记录过程中所有进程的ID和父进程ID。将得到的进程树和由pstree命令的得到的进程树进行比较。

A1.

第一题还是以基本操作为主，是一个按部就班的过程，下面就来逐步讲述。

打开vi进程只需在终端直接输入vi，执行结果如下：

启动vi

接下来启动另一个terminal，通过命令 ps -A 查找 vi 的进程信息，结果如下：

寻找进程vi

在找到vi的进程号 pid 之后，可以继续从 ppid 处得到进程的父进程id，通过命令ps -l逐步寻找vi的父进程，寻找步骤如下：

寻找父进程

在得到vi的进程调用序列之后，通过pstree命令来查看所有的进程树如下图所示，可以发现进程树命令和逐层寻找得到的结果相同，均为如下序列。
1
Systemd->lightdm->lightdm->gnome-terminal->bash->vi
这里还要额外提一句，使用 Systemd 就不需要再用 ~~init~~ 了。这是因为init进程有两个缺点：启动时间长且启动脚本复杂。
Systemd 就是为了解决这些问题而诞生的。它的设计目标是，为系统的启动和管理提供一套完整的解决方案。

pstree查看

Q2.

编写程序，首先使用fork系统调用，创建子进程。在父进程中继续执行空循环操作；在子进程中调用exec打开vi编辑器。然后在另外一个终端中，通过ps–Al命令、ps aux或者top等命令，查看vi进程及其父进程的运行状态，理解每个参数所表达的意义。选择合适的命令参数，对所有进程按照cpu占用率排序。

A2.

首先需要编写一个用于实现题干功能的C语言代码。
分析题目可以看到，首先需要使用 fork() 系统调用创建子进程，其次根据fork的返回值相应的在父/子进程中填入对应的功能代码，我的代码具体如下，程序在父进程中执行空循环操作，在子进程中通过系统调用 execlp() 来启动vi进程，执行结果通过在另外的终端中的命令得以查看。

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

int main(){
    pid_t pid;
    pid = fork();
    //父进程: pid>0
    if(pid > 0) while(1);
    //子进程： pid=0
    else if(pid == 0){
        int ret;
        ret = execlp("vi","",NULL);

        if (ret == -1){
            perror ("execl");
            printf("excel error\n");
        }
    }
    else if(pid == -1){
        perror("fork");
        printf("fork error\n");
    }  

}

ps-Al

执行 ps -Al命令的执行结果如下：

ps -Al执行结果

其中，各个参数的解释如下：

参数	说明
F	flag
S	程序的状态
UID	执行者身份
PID	进程ID
PPID	父进程ID
C	使用的CPU资源百分比
PRI	进程的执行优先权
NI	进程的nice值
ADDR	内核函数
SZ	占用内存的大小
WCHAN	进程正在睡眠的内核函数名称
TTY	登入者的终端机位置
TIME	使用掉的CPU时间
CMD	下达指令的名称

ps aux

执行 ps aux 命令可以打印使进程按如下格式输出：

1	USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND

其中，各个参数的解释如下：

参数	说明
USER	行程拥有者
PID	pid
%CPU	占用的 CPU 使用率
%MEM	占用的记忆体使用率
VSZ	占用的虚拟记忆体大小
RSS	占用的记忆体大小
TTY	终端的次要装置号码
STAT	该行程的状态(D=不可中断的睡眠状态,R=运行,S=睡眠,T=跟踪/停止,Z=僵尸进程)
START	行程开始时间
TIME	执行的时间
COMMAND	所执行的指令

执行结果如下：

ps aux执行结果

可以看到，./fork-exec进程一直在运行，且占用了97.7%的CPU资源，这应该全部归功于空循环。

top

top命令用于实时显示进程的动态，按照CPU的占有量降序排序，进程信息区统计信息区域的下方显示了各个进程的详细信息，各列的含义如下：

参数	说明
PID	进程id
USER	进程所有者的用户名
PR	优先级
NI	nice值。负值表示高优先级，正值表示低优先级
VIRT	进程使用的虚拟内存总量，单位kb
RES	进程使用的、未被换出的物理内存大小，单位kb
SHR	共享内存大小，单位kb
S	进程状态(D=不可中断的睡眠状态,R=运行,S=睡眠,T=跟踪/停止,Z=僵尸进程)
%CPU	上次更新到现在的CPU时间占用百分比
%MEM	进程使用的物理内存百分比
TIME+	进程使用的CPU时间总计，单位1/100秒
COMMAND	命令名/命令行

执行结果如下：

top执行结果

Q3.

使用fork系统调用，创建如下进程树，并使每个进程输出自己的ID和父进程的ID。观察进程的执行顺序和运行状态的变化。

A3.

实现进程树需要通过fork系统调用来实现，首先需要熟悉fork的具体作用。

fork在英文中是”分叉”的意思，fork函数启动一个新的进程，这个进程几乎是当前进程的一个拷贝：子进程和父进程使用相同的代码段，子进程复制父进程的堆栈段和数据段。

所以也就是说，执行一次fork函数，有两个返回值。根据返回值的不同可以区别父进程(>0)和子进程(=0)。

根据进程树的结构，p1有两个子进程p2和p3，同时p2也有两个子进程p4和p5，所以我所编写的代码如下：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdbool.h>
#include<sys/types.h>

int main(int argc, char *argv) {
    /*
      先打印根节点
    */
    pid_t p1;
    printf("p1 pid: %d, ppid: %d\n", getpid(),getppid());
    if(p1 == 0){
    /*
        进入进程p1
    */
        pid_t p3;
        /*
            先创建p3
        */
        p3 = fork();
        if(p3 == 0)
            /*
                j进入进程p3
            */
            printf("p3 pid: %d, ppid: %d\n", getpid(),getppid());
        else if(p3 > 0){
            /*
                进入p3的父进程，也就是p1。
                接下来创建进程p2
            */
            pid_t p2;
            p2 = fork();
            if(p2==0){
                /*
                    进入进程p2,接下来先创建p4
                */
                printf("p2 pid: %d, ppid: %d\n", getpid(),getppid());
                pid_t p4;
                p4 = fork();
                if(p4 == 0){
                    /*
                        进入进程p4
                    */
                    printf("p4 pid: %d, ppid: %d\n", getpid(),getppid());                   
                }
                else if(p4 >0){
                    /*
                        此处位于p4的父进程，即p2,继续创建p5
                    */
                    pid_t p5;
                    p5 = fork();
                    if(p5==0)
                        printf("p5 pid: %d, ppid: %d\n", getpid(),getppid());  
                }
            }
        }
    }
    sleep(1);   
}

程序的输出结果如下，满足题目的进程树的架构：

进程树模拟

Q4.

修改上述进程树中的进程，使得所有进程都循环输出自己的ID和父进程的ID。然后终止p2进程(分别采用kill -9 、自己正常退出exit()、段错误退出)，观察p1、p3、p4、p5进程的运行状态和其他相关参数有何改变。

A4.

第四题应该是这几个题中最难的一个，综合了前三个题的知识应用，必须有对进程的充分认识和fork系统调用的理解才能实现这些功能，我的视线具体如下：

代码部分需要在第三题的基础上进行修改，代码如下：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<stdbool.h>
#include<sys/types.h>

int main(int argc, char *argv) {
    /*
      先打印根节点
    */
    pid_t p1;
    
    if(p1 == 0){
    /*
        进入进程p1
    */
        int p1pid,p1ppid;
        p1pid = getpid();
        p1ppid = getppid();
        //printf("p1 pid: %d, ppid: %d\n", getpid(),getppid());
        pid_t p3;
        /*
            先创建p3
        */
        p3 = fork();
        if(p3 == 0){
            /*
                j进入进程p3
            */
            int i;
            for(i=0;i<10;i++){
                printf("p3 pid: %d, ppid: %d\n", getpid(),getppid());
                sleep(1);
            }
            return 0;
        }
        else if(p3 > 0){
            /*
                进入p3的父进程，也就是p1。
                接下来创建进程p2
            */
            pid_t p2;
            p2 = fork();
            if(p2==0){
                /*
                    进入进程p2,接下来先创建p4
                */
                pid_t p4;
                p4 = fork();
                if(p4 == 0){
                    /*
                        进入进程p4
                    */
                    int i;
                    for(i=0;i<10;i++){
                        printf("p4 pid: %d, ppid: %d\n", getpid(),getppid());       
                        sleep(1);
                    }
                    return 0;
                                
                }
                else if(p4 >0){
                    /*
                        此处位于p4的父进程，即p2,继续创建p5
                    */
                    pid_t p5;
                    p5 = fork();
                    if(p5==0){
                    //p5
                        int i;
                        for(i=0;i<10;i++){
                            printf("p5 pid: %d, ppid: %d\n", getpid(),getppid());
                            sleep(1);   
                        }
                        return 0;
                    }

                    else{
                    //p2
                        int i;
                        for(i=0;i<10;i++){
                            //通过exit()终止p2
                            if(i==2)
                                exit(1);
                            //段错误
                            //if(i==5)
                            //{
                            //  int *p=NULL;
                            //  *p=0;
                            //}
                            printf("p2 pid: %d, ppid: %d\n", getpid(),getppid());
                            sleep(1);
                        }
                        return 0;
                    }
                }           
            }
        }
        int i;
        for(i=0;i<10;i++){
            printf("p1 pid: %d, ppid: %d\n", getpid(),getppid());
            sleep(1);
        }
        return 0;       
    }
    sleep(1);    
}