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437
操作系统/实验/实验02_进程控制.md
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437
操作系统/实验/实验02_进程控制.md
Normal file
@@ -0,0 +1,437 @@
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# 实验02 Linux 进程控制编程
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## 实验目的
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1. 掌握 `fork`、`exec`、`wait`、`exit` 等进程控制系统调用
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2. 理解进程的创建、执行和终止过程
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3. 掌握进程族亲关系（父子进程、兄弟进程）
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4. 学会编写简单的交互式 shell 程序
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5. 理解守护进程（daemon）的概念和实现方法
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6. 了解信号机制的基本使用
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## 涉及知识点
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- `fork()` 创建子进程及返回值含义
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- `exec` 家族函数：`execl`、`execlp`、`execvp`、`execve`
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- `wait` / `waitpid` 回收子进程，避免僵尸进程
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- `exit` / `_exit` 终止进程
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- 进程组与会话（`setsid`）
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- 信号：`SIGCHLD`、`SIGKILL`、`SIGTERM`、`SIGALRM`
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- 守护进程（daemon）的创建步骤
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- 文件重定向：`dup2`
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- 管道：`pipe`
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## 任务一：task51.c -- 进程族亲结构
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### 任务要求
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创建如下进程树结构，每个进程打印自己的 PID 和父进程 PPID，最终输出完整的族亲关系：
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```
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p1
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+-- p11
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+-- p12
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+-- p121
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+-- p122
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```
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### 关键代码提示
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```c
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#include <stdio.h>
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#include <stdlib.h>
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#include <unistd.h>
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#include <sys/wait.h>
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int main() {
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pid_t pid;
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printf("p1: PID=%d, PPID=%d\n", getpid(), getppid());
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// 创建 p11
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pid = fork();
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if (pid == 0) {
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printf("p11: PID=%d, PPID=%d\n", getpid(), getppid());
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exit(0);
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}
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// 创建 p12
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pid = fork();
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if (pid == 0) {
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printf("p12: PID=%d, PPID=%d\n", getpid(), getppid());
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// p12 创建 p121
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pid = fork();
|
||||
if (pid == 0) {
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||||
printf("p121: PID=%d, PPID=%d\n", getpid(), getppid());
|
||||
exit(0);
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}
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// p12 创建 p122
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pid = fork();
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||||
if (pid == 0) {
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printf("p122: PID=%d, PPID=%d\n", getpid(), getppid());
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exit(0);
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}
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||||
wait(NULL);
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||||
wait(NULL);
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exit(0);
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}
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// p1 等待两个子进程
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wait(NULL);
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wait(NULL);
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return 0;
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}
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```
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### 关键要点
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- `fork()` 返回值：父进程中返回子进程 PID，子进程中返回 0
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- `wait(NULL)` 阻塞等待任意一个子进程结束
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- 子进程必须调用 `exit(0)` 终止，否则会继续执行父进程后续代码
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- `fork` 后父子进程从同一位置继续执行，注意判断返回值分流
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### 常见问题
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| 问题 | 原因 | 解决方法 |
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|------|------|----------|
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| 输出顺序不确定 | 父子进程并发执行 | 正常现象，可用 `wait` 控制部分顺序 |
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| 进程数不对 | `fork` 位置错误 | 确保在正确的位置 `fork`，避免重复创建 |
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||||
| 僵尸进程 | 父进程未 `wait` | 每个 `fork` 后都要有对应的 `wait` |
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||||
| p11 的 PPID 不是 p1 | 父进程先退出 | 正常现象（孤儿进程被 init 收养），可用 `sleep` 验证 |
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## 任务二：task52.c -- 交互式 shell
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### 任务要求
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实现一个简化版的交互式 shell，具备以下功能：
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1. 显示提示符 `%`，等待用户输入命令
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2. 解析并执行用户输入的外部命令
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3. 输入 `exit` 退出 shell
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4. 支持输出重定向（`>`）
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5. 支持管道（`|`）
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### 关键代码提示
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```c
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#include <stdio.h>
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#include <stdlib.h>
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||||
#include <string.h>
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#include <unistd.h>
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#include <sys/wait.h>
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||||
#include <fcntl.h>
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#define MAX_LINE 1024
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#define MAX_ARGS 64
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||||
// 解析命令行为参数数组
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int parse(char *line, char **args) {
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int argc = 0;
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char *token = strtok(line, " \t\n");
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||||
while (token != NULL && argc < MAX_ARGS - 1) {
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||||
args[argc++] = token;
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||||
token = strtok(NULL, " \t\n");
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||||
}
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||||
args[argc] = NULL;
|
||||
return argc;
|
||||
}
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||||
// 处理输出重定向
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||||
void handle_redirect(char **args) {
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||||
for (int i = 0; args[i] != NULL; i++) {
|
||||
if (strcmp(args[i], ">") == 0) {
|
||||
int fd = open(args[i + 1],
|
||||
O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
|
||||
dup2(fd, STDOUT_FILENO);
|
||||
close(fd);
|
||||
args[i] = NULL;
|
||||
break;
|
||||
}
|
||||
}
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||||
}
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||||
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||||
// 处理管道
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void handle_pipe(char *line) {
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char *cmd1 = strtok(line, "|");
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||||
char *cmd2 = strtok(NULL, "|");
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||||
int pipefd[2];
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||||
pipe(pipefd);
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||||
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||||
pid_t pid1 = fork();
|
||||
if (pid1 == 0) {
|
||||
close(pipefd[0]);
|
||||
dup2(pipefd[1], STDOUT_FILENO);
|
||||
close(pipefd[1]);
|
||||
char *args[MAX_ARGS];
|
||||
parse(cmd1, args);
|
||||
execvp(args[0], args);
|
||||
perror("execvp");
|
||||
exit(1);
|
||||
}
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||||
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||||
pid_t pid2 = fork();
|
||||
if (pid2 == 0) {
|
||||
close(pipefd[1]);
|
||||
dup2(pipefd[0], STDIN_FILENO);
|
||||
close(pipefd[0]);
|
||||
char *args[MAX_ARGS];
|
||||
parse(cmd2, args);
|
||||
execvp(args[0], args);
|
||||
perror("execvp");
|
||||
exit(1);
|
||||
}
|
||||
|
||||
close(pipefd[0]);
|
||||
close(pipefd[1]);
|
||||
waitpid(pid1, NULL, 0);
|
||||
waitpid(pid2, NULL, 0);
|
||||
}
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int main() {
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||||
char line[MAX_LINE];
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||||
|
||||
while (1) {
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||||
printf("%% ");
|
||||
fflush(stdout);
|
||||
|
||||
if (fgets(line, sizeof(line), stdin) == NULL) break;
|
||||
if (strncmp(line, "exit", 4) == 0) break;
|
||||
|
||||
if (strchr(line, '|') != NULL) {
|
||||
handle_pipe(line);
|
||||
continue;
|
||||
}
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||||
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||||
char *args[MAX_ARGS];
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||||
parse(line, args);
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||||
|
||||
pid_t pid = fork();
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||||
if (pid == 0) {
|
||||
handle_redirect(args);
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||||
execvp(args[0], args);
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||||
perror("execvp");
|
||||
exit(1);
|
||||
}
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||||
waitpid(pid, NULL, 0);
|
||||
}
|
||||
return 0;
|
||||
}
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```
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### 常见问题
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| 问题 | 原因 | 解决方法 |
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|------|------|----------|
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| shell 卡住不响应 | `fgets` 缓冲问题 | 输入后确保有换行符，提示符后用 `fflush(stdout)` |
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| 重定向不生效 | `dup2` 调用时机不对 | 必须在 `execvp` 之前调用 `dup2` |
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||||
| 管道只执行一半 | 文件描述符未关闭 | 父子进程中都要关闭不用的管道端 |
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||||
| `exit` 无法退出 | 字符串比较逻辑错误 | 用 `strncmp` 精确匹配前 4 个字符 |
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---
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## 任务三：task53.c -- daemon 文件监控
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### 任务要求
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||||
1. 创建守护进程（daemon），后台运行
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2. 每隔 5 分钟读取 `task53.c` 文件内容，计算 hash 值
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||||
3. 与上一次的 hash 值对比
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||||
4. 如果文件被篡改，将事件记录到日志文件
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### 关键代码提示
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```c
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#include <stdio.h>
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||||
#include <stdlib.h>
|
||||
#include <unistd.h>
|
||||
#include <sys/stat.h>
|
||||
#include <fcntl.h>
|
||||
#include <time.h>
|
||||
|
||||
// djb2 哈希算法
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||||
unsigned long compute_hash(const char *filename) {
|
||||
FILE *fp = fopen(filename, "r");
|
||||
if (!fp) return 0;
|
||||
unsigned long hash = 5381;
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int c;
|
||||
while ((c = fgetc(fp)) != EOF)
|
||||
hash = ((hash << 5) + hash) + c;
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||||
fclose(fp);
|
||||
return hash;
|
||||
}
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||||
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||||
// daemon 创建五步法
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||||
void daemonize() {
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||||
pid_t pid = fork();
|
||||
if (pid < 0) exit(1);
|
||||
if (pid > 0) exit(0);
|
||||
|
||||
setsid();
|
||||
|
||||
pid = fork();
|
||||
if (pid < 0) exit(1);
|
||||
if (pid > 0) exit(0);
|
||||
|
||||
chdir("/");
|
||||
|
||||
close(STDIN_FILENO);
|
||||
close(STDOUT_FILENO);
|
||||
close(STDERR_FILENO);
|
||||
}
|
||||
|
||||
int main() {
|
||||
daemonize();
|
||||
|
||||
unsigned long last_hash = compute_hash("task53.c");
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||||
FILE *logfp;
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||||
while (1) {
|
||||
sleep(300);
|
||||
|
||||
unsigned long current_hash = compute_hash("task53.c");
|
||||
if (current_hash != last_hash) {
|
||||
logfp = fopen("/var/log/task53.log", "a");
|
||||
if (logfp) {
|
||||
time_t now = time(NULL);
|
||||
fprintf(logfp, "[%s] task53.c changed! "
|
||||
"old=%lx, new=%lx\n",
|
||||
ctime(&now), last_hash, current_hash);
|
||||
fclose(logfp);
|
||||
}
|
||||
last_hash = current_hash;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
return 0;
|
||||
}
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||||
```
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### daemon 创建步骤（五步法）
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```
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1. fork() + 父进程 exit -- 脱离终端控制
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2. setsid() -- 创建新会话，成为会话首进程
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3. fork() + 父进程 exit -- 确保不会重新获得控制终端
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||||
4. chdir("/") -- 避免占用可卸载的文件系统
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5. 关闭 0/1/2 -- 释放标准输入输出
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```
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### 常见问题
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||||
| 问题 | 原因 | 解决方法 |
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|------|------|----------|
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||||
| daemon 无法后台运行 | 没有正确 `fork` 两次 | 严格按照五步法创建 |
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| 日志文件无输出 | 路径权限问题 | 检查 `/var/log/` 写权限，或改用用户目录 |
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||||
| 如何终止 daemon | 无交互终端 | `ps aux | grep task53` 找到 PID 后 `kill` |
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||||
| hash 算法冲突 | 简单 hash 可能碰撞 | 实验中 djb2 即可，正式场景可用 MD5/SHA |
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---
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## 任务四：task54.c -- 信号管理子进程（选做）
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### 任务要求
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实现一个通过信号管理子进程的程序，支持以下命令：
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||||
- `create`：创建一个子进程
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- `kill <pid>`：向指定子进程发送 SIGTERM
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||||
- `ps`：列出所有存活的子进程
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||||
- `exit`：终止所有子进程并退出
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||||
### 关键代码提示
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||||
```c
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||||
#include <stdio.h>
|
||||
#include <stdlib.h>
|
||||
#include <string.h>
|
||||
#include <unistd.h>
|
||||
#include <signal.h>
|
||||
#include <sys/wait.h>
|
||||
|
||||
#define MAX_CHILDREN 64
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||||
pid_t children[MAX_CHILDREN];
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||||
int child_count = 0;
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||||
void sigchld_handler(int sig) {
|
||||
pid_t pid;
|
||||
while ((pid = waitpid(-1, NULL, WNOHANG)) > 0) {
|
||||
for (int i = 0; i < child_count; i++) {
|
||||
if (children[i] == pid) {
|
||||
children[i] = children[--child_count];
|
||||
break;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
printf("[parent] child %d terminated\n", pid);
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
void child_work() {
|
||||
while (1) sleep(10);
|
||||
}
|
||||
|
||||
int main() {
|
||||
struct sigaction sa;
|
||||
sa.sa_handler = sigchld_handler;
|
||||
sigemptyset(&sa.sa_mask);
|
||||
sa.sa_flags = SA_RESTART | SA_NOCLDSTOP;
|
||||
sigaction(SIGCHLD, &sa, NULL);
|
||||
|
||||
char cmd[64];
|
||||
while (1) {
|
||||
printf("cmd> ");
|
||||
fflush(stdout);
|
||||
if (fgets(cmd, sizeof(cmd), stdin) == NULL) break;
|
||||
|
||||
if (strncmp(cmd, "create", 6) == 0) {
|
||||
pid_t pid = fork();
|
||||
if (pid == 0) { child_work(); exit(0); }
|
||||
children[child_count++] = pid;
|
||||
printf("created child PID=%d\n", pid);
|
||||
} else if (strncmp(cmd, "kill", 4) == 0) {
|
||||
pid_t pid;
|
||||
sscanf(cmd + 5, "%d", &pid);
|
||||
kill(pid, SIGTERM);
|
||||
} else if (strncmp(cmd, "ps", 2) == 0) {
|
||||
printf("alive children: ");
|
||||
for (int i = 0; i < child_count; i++)
|
||||
printf("%d ", children[i]);
|
||||
printf("\n");
|
||||
} else if (strncmp(cmd, "exit", 4) == 0) {
|
||||
for (int i = 0; i < child_count; i++)
|
||||
kill(children[i], SIGTERM);
|
||||
sleep(1);
|
||||
break;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
return 0;
|
||||
}
|
||||
```
|
||||
|
||||
### 常见问题
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||||
|
||||
| 问题 | 原因 | 解决方法 |
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||||
|------|------|----------|
|
||||
| 僵尸进程残留 | `SIGCHLD` 未正确处理 | handler 中用 `waitpid(-1, ..., WNOHANG)` 循环回收 |
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||||
| `ps` 列表不准 | handler 与主程序竞争共享数组 | 使用信号屏蔽（`sigprocmask`）保护临界区 |
|
||||
| 子进程无法终止 | 信号被忽略或屏蔽 | 确保子进程没有屏蔽 `SIGTERM` |
|
||||
|
||||
---
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||||
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||||
## 实验总结
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||||
|
||||
通过本实验，应掌握以下能力：
|
||||
|
||||
1. 使用 `fork` 创建进程树，理解父子进程关系
|
||||
2. 使用 `exec` 家族函数执行外部命令
|
||||
3. 使用 `wait`/`waitpid` 回收子进程，避免僵尸进程
|
||||
4. 实现简单的 shell，理解 shell 的工作原理
|
||||
5. 创建守护进程，理解 daemon 的设计模式
|
||||
6. 使用信号机制进行进程间通信
|
||||
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