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：
- 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：
- 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：
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。
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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。
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。1
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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：
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：
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：
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：
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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：
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：
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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);
}
即需要在刚进入p1的时候记录p1的pid和ppid以便后续打印输出，p2进程的输出部分需要控制在p5进程的父进程部分，如果在刚进入p2就执行循环输出，p4和p5进程就会因此无法创建。
程序的输出结果如下：
下面分别采用kill -9 、自己正常退出exit()、段错误退出来终止p2进程。
kill -9
kill -9属于手动中断进程，通过此命令中断p2的结果如下：
在p2被中断之后，其子进程p4和p5的参数ppid的值随即发生改变。
exit()
exit()函数属于安放在代码中的正常退出函数，将其放入p2循环打印的代码中，控制其在特定次数后执行便可以达到我们的预期，结果如下：
可以看到，由于p2先于其父进程p1结束，随即就变成了僵尸进程defunct状态
段错误
所谓段错误，一般是访问了未申请的内存或非法的内存时产生的，概括点说在代码中一般是由指针的不当使用引起的。
为了引起段错误，我在代码中设置了如下代码段：
其执行结果如下：
参数变化
对于每种错误我均使用了ps命令来查看进程参数信息，最后发现三种情况所造成的进程中断所带来的参数变化是一样的，p2进程的参数变化如下：
从图中可以看到：
- 程序的状态由S变为Z，即僵死
- 占用内存大小变为0
- WCHAN由hrtime变为‘-’，进程停止
- cmd部分多了僵尸进程标识符
参考文献
linux命令ps aux|grep xxx详解 https://www.cnblogs.com/robertoji/p/5555449.html
linux的top命令参数详解 https://www.cnblogs.com/LeoBoy/p/7976612.html
ps命令执行后各项参数的含义 https://blog.csdn.net/tcpipstack/article/details/8541980
