fork和lockf应用

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fork和lockf应用

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实验目的
进一步认识并发执行的实质；分析进程争用资源的现象
实验过程
一，将每个进程输出一个字符改为每个进程输出一句话。

/*shiyan1_test2.c*Created on 2015-10-07*Author:Wanglin*output a sentence*/# include<stdio.h># include<unistd.h>int main(){int p1,p2;p1=fork();if(!p1) printf("I am the first child\n");else{        p2=fork();        if(!p2) printf("I am the second child\n");        else printf("I am the parent\n");}return 0;}

编译并运行shiyan1_test2.c
gcc shiyan1_test2.c ./a.out
输出如下：

[root@localhost os]# gcc shiyan3_test2.c[root@localhost os]# ./a.out I am the parent[root@localhost os]# I am the second childI am the first child./a.out I am the parent[root@localhost os]# I am the second childI am the first child

系统中一共有4个进程，shiyan1_test2.c中有一个父进程，和父进程2次调用fork创建的2个子进程，另外一个进程是linux的shell进程，shell就是解析用户输入命令的终端，也就是和用户交互的这个黑框。父进程输出”I am the parent\n”，第一个子进程输出”I am the first child\n”，第二个子进程输出”I am the second child\n”，shell进程以命令提示符的形式输出，[root@localhost os]#，代表在这个shell进程中，用户是超级用户root,主机名为本地主机localhost,当前路径是在os文件夹中，#是root用户的专用命令提示符，普通用户是美元符号$。
运行多次，会发现上述4句话的输出顺序是不固定的，也就是说进程调度的顺序是会变化的，并且不一定和代码中创建的顺序一致，我们可以看到shiyan1_test2.c三句话的先后顺序本应该是”I am the first child\n”，”I am the second child\n”，”I am the parent\n”，而实际运行顺序并非如此，进程调度的顺序主要由操作系统调度程序决定，而不是用户编写的代码决定。
二, 在父进程fork之前，输出一句话，这句话后面不加“\n”或加“\n”。
我们先来运行不带有“\n”的情况：

/*shiyan1_test3.c*Created on 2015-10-07*Author Wanglin*print a sentence without '\n'or with '\n' befork the parent fork*/# include<stdio.h># include<unistd.h>int main(){int p1,p2;printf("I am the sentence befork the parent fork ");//printf("I am the sentence befork the parent fork\n");p1=fork();if(!p1) printf("b\n");else{        p2=fork();        if(!p2) printf("c\n");        else printf("a\n");}return 0;}

编译并运行shiyan1_test3.c
输出结果如下：

[root@localhost os]# ./a.out            I am the sentence befork the parent fork a[root@localhost os]# I am the sentence befork the parent fork cI am the sentence befork the parent fork b

可以看到4个进程分别输出：
进程1：I am the sentence befork the parent fork a
进程2：[root@localhost os]#
进程3：I am the sentence befork the parent fork c
进程4：I am the sentence befork the parent fork b
即除了shell进程外，每个进程都打印了这句话。我们来分析一下代码，表面上看起来，子进程应该从fork()处继续往下执行，并不会执行打印I am the sentence befork the parent fork这句话，而事实并非如此。在父进程第1次调用fork()前，执行printf，由于输出时，我们要将内存中的数据输出到磁盘中，而磁盘读取速度远小于内存，为了解决磁盘与内存速度不匹配的问题，系统会先将要printf的内容存到磁盘缓冲区buffer，也就是将I am the sentence befork the parent fork这句话写入buffer。而子进程会继承父进程的buffer内容，于是在子进程中也会打印这句话，第1个子进程会输出，第2个子进程也会输出。
接下来，我们加上“\n”：

/*shiyan3_test4.c*Created on 2015-10-07*Author:Wanglin *Version 1.0* print a sentence with '\n' befork the parent fork*/# include<stdio.h># include<unistd.h>int main(){int p1,p2;printf("I am the sentence befork the parent fork \n");p1=fork();if(!p1) printf("b\n");else{        p2=fork();        if(!p2) printf("c\n");        else printf("a\n");    }return 0;}

编译运行shiyan_test4.c
输出结果：

[root@localhost os]# ./a.out            I am the sentence befork the parent fork a[root@localhost os]# cb

4个进程分别输出：
进程1：a
进程2：[root@localhost os]#
进程3：c
进程3：b
I am the sentence befork the parent fork这句话只被输出了一次，这是因为系统检测到“\n”会自动清空缓冲区，于是子进程继承父进程时，缓冲区里面没有要打印这句话的信息，于是在2个子进程中只分别输出c和b。
要清空缓冲区，还可以用fflush(stdout)函数，用以清空系统标准输出流。修改shiyan_test4.c

/*shiyan3_test4.c*Created on 2015-10-07*Author:Wanglin*Version 2.0* using fflush(stdout) to clear the buffer*/# include<stdio.h># include<unistd.h>int main(){int p1,p2;printf("I am the sentence befork the parent fork ");fflush(stdout);p1=fork();if(!p1) printf("b\n");else{        p2=fork();        if(!p2) printf("c\n");        else printf("a\n");}return 0;}

[root@localhost os]# ./a.out            I am the sentence befork the parent fork a[root@localhost os]# cb

句子只被输出一次， fflush(stdout); //清空输出流；stdout是系统自动生成的指针标准输出流，与之对应的还有标准输入流stdin,清空输入流可以用fflush(stdin);

三，在程序中使用系统调用lockf来给每一个进程加锁，实现进程之间的互斥。
1.lockf放在循环内部，执行休眠
我们在shiyan_test4.c的基础上修改代码，分别将 a, b,c替换为 parent,daughter和son。子进程1输出5次daughter，并用lockf(1,1,0)给stdout加锁，lockf(1,0,0)解锁，解锁后令进程休眠3秒，即sleep(3);子进程2输出5次son,同理用lockf加锁和解锁, 解锁后也休眠3秒。parent不做处理，和shiyan_test4.c一致。

/*shiyan1_test5.c *Created on 2015-10-07 *Author:wanglin *输出多条语句,flock,sleep(3) */# include<stdio.h># include<unistd.h>int main(){int p1,p2;p1=fork();if(!p1)        {    int i;    for(i=0;i<5;++i){    lockf(1,1,0);    printf("daughter %d\n",i);    lockf(1,0,0);    sleep(3);    }    }else{    p2=fork();    if(!p2)    {    int j;    for(j=0;j<5;++j)    {    lockf(1,1,0);    printf("son %d\n",j);    lockf(1,0,0);    sleep(3);    }    }        else    printf("parent \n");   }return 0;}

编译shiyan_test5.c并运行
gcc shiyan_test5.c
./a.out
运行结果如下：

[root@localhost os]# ./a.out            parent [root@localhost os]# son 0daughter 0son 1daughter 1son 2daughter 2son 3daughter 3son 4daughter 4

可以看到子进程1和子进程2交替执行，5句daughter没有连续输出，5句son也没有连续输出。lockf()的基本功能是实现资源的互斥访问，即同一时刻同一个资源只允许一个进程访问，本次实验中的资源即系统的标准输出stdout，互斥的结果为同一时刻只可以有一个进程执行输出，并且不可以被打断。daughter进程先用lockf(1,1,0)锁上stdout，执行输出之后，立即用lockf(1,0,0)释放stdout,而此时进程没有立即进入下一次循环，而是休眠了3秒，也就是说没有立即又给stdout加锁，在休眠的这段时间，son可以获得stdout资源，于是son执行输出；同理，son加锁，输出，释放锁之后，和daughter一样，也执行了休眠，于是daughter可以获得stdout资源，于是就出现了两个进程交替执行输出的情况。
多运行几次，还会出现以下结果，不是严格的交替执行，但是都可以说明进程的输出循环会被打断，不会连续输出5次。

2.接下来我们继续修改代码，不执行休眠

/*shiyan1_test5.c *Created on 2015-10-07 *Author:wanglin *输出多条语句,flock,sleep(3) */# include<stdio.h># include<unistd.h>int main(){int p1,p2;p1=fork();if(!p1)        {    int i;    for(i=0;i<5;++i){    lockf(1,1,0);    printf("daughter %d\n",i);    lockf(1,0,0);    //sleep(3);    }    }else{    p2=fork();    if(!p2)    {    int j;    for(j=0;j<5;++j)    {    lockf(1,1,0);    printf("son %d\n",j);    lockf(1,0,0);    //sleep(3);    }    }        else    printf("parent \n");   }return 0;}

再次编译并运行，输出结果如下

多执行几次，会发现5句daughter和5句son的输出都是连续的，son，daughter,parent和shell的顺序则有可能改变。这比较容易理解，拿daughter进程来解释，daughter进程开始循环，加锁，输出，然后释放锁，不进行休眠，立即进入下一次for循环，紧接着又加锁，也就是说释放锁之后理解又加锁，间隔时间极其短暂，忽略两次循环的切换时间，stdout资源相当于一直处于加锁状态，其他进程不可能获得stdout资源，必须等daughter5次循环完毕之后，才可以获得，同理，son进程运行的时候也是一样，循环不会被其他进程打断。
3，将lockf放在循环外面

编译运行，输出结果如下

./a.out parent [root@localhost os]# son 0son 1son 2son 3son 4daughter 0daughter 1daughter 2daughter 3daughter 4

我们可以推断出不论运行多少次，son和daughter的输出都是连续的。有了前面两个例子，这个例子就很容易理解了，在循环外部给stdout加上锁，整个循环过程中其他进程都不可以获得stdout资源，必须等该进程循环完毕，释放资源后其他进程才可以获得stdout，并执行输出。
同样，我们还可以继续修改代码，但总而言之，资源被锁住的时候，只允许为该资源上锁的进程访问，其他进程均不可以再访问。本例中的资源是标准输入输出，而文件的读取，程序脚本的运行，也可以用lockf来进行互斥访问，在实际应用中，lockf有在互斥访问方面具有举足轻重的作用。
五，当父进程fork子进程后，父进程和子进程如何执行程序的？
在父进程中，fork返回新创建子进程的进程ID；父进程紧接着fork语句的下一句话执行；子进程中，fork返回0；子进程会继承父进程大部分的资源，包括缓冲区等，只有少部分不会继承，每个进程都有唯一的进程id号，可以利用getpid()获得进程id,getppid()获得父进程的id； 如果出现错误，fork返回一个负值；表明子进程创建失败。