操作系统基础 | 5.8 进程实验

进程家族树 (Process Family Tree)

1. 实验报告：准备好实验报告

2. simple_fork.c：编写一个名为 simple_fork.c 的简短程序，使用 fork() 函数从父进程生成一个子进程。父进程应在 fork 之前打印一条语句，并在 fork 之后打印出子进程的 PID。子进程应在被生成后打印一条语句，使用 getpid() 和 getppid() 函数打印出其自身的 PID 及其父进程的 PID。在您的树莓派上编译并运行您的程序，并将程序的输出作为此问题的答案。 提示：gcc编译gcc [source] -o [destination]

3. tree_fork.c：编写第二个名为 tree_fork.c 的程序，该程序将一个整数作为命令行参数，并在最多 10 代的固定限制内，生成一个具有指定代数的“二进制家族树”进程。这将创建 2^n - 1 个进程，其中 n 是代数。对于 n=1，程序将创建 1 个进程；对于 n=5，将创建 31 个进程；对于 n=10，将创建 1023 个进程，依此类推。我们将代数限制为最多 10，因为更大的数字会运行很长时间，甚至可能冻结您的树莓派！

   • 如果未提供命令行参数，程序应输出有用的用法消息并退出。
   • 否则，它应将命令行参数转换为整数并存储在 generations 变量中。
   • 如果 generations 变量小于 1 或大于 10，程序应输出有用的用法消息并退出。
   • 否则，它（以及它生成的任何子进程）应执行以下操作（原始程序为第一代）：
     • 打印一行，说明它属于哪一代及其自身的 PID；
     • 增加当前代数计数器；
     • 如果已达到最后一代（根据 generations 变量），则直接返回 0；否则，生成两个子进程；
     • 使用 wait(0) 等待任何成功生成的子进程完成；
     • 如果两个子进程都成功生成，则返回 0；如果任一生成（或两者都）失败，则返回 -1。
   • 提示：仔细检查每次调用 fork()（或您用于生成每个子进程的任何调用）返回的 pid_t 值非常重要，因为 (1) 这些调用可能失败（由负返回值指示），(2) 0 表示子进程正在运行，(3) 正数表示父进程正在运行。
   • 提示：基于此，使用递归，或使用带有几个 pid_t 变量（每个子进程一个）的 while 循环并明智地在子进程中运行的代码分支使用 continue 语句，可以很直接地实现本练习的逻辑。
   • 作为此练习的答案，请展示您的程序在运行 4 代时（如果正确实现，应总共生成 15 个进程）的输出。

4. 修改 kobject 示例模块：现在我们将回到使用这些思想进行内核模块设计。首先，从您的 linux 源码目录中，找到并将文件 samples/kobject/kobject-example.c 复制到您保存内核模块代码的目录中。这是一个使用称为 kobjects 的功能的内核模块，它提供了一个在内核和用户空间之间交换数据的接口。每个数据项称为一个属性（attribute），对于每个属性，您需要提供一个 show 和 store 函数，分别在用户空间读取和写入这些值时被调用。

   • 该特定模块提供三个属性：foo、baz 和 bar。加载后，您可以在 sysfs 文件系统中的 /sys/kernel/kobject_example/ 目录下找到它们。
   • 修改此文件，以便（通过使用 printk）在更新 foo、baz 或 bar 中的任何一个时打印一条系统日志消息，并在消息中显示被更新变量的旧值和新值。
   • 现在我们可以像以前一样构建您修改后的模块。首先，更新您的 Makefile，使其包含新模块的相应 .o 文件目标，然后为您的模块生成 .ko 文件，如下所示：

     module add arm-rpi
     LINUX_SOURCE=您的Linux内核源代码路径
     make -C $LINUX_SOURCE ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- M=$PWD modules

   • 然后，使用 sftp 将生成的 .ko 文件复制到您的树莓派上，并使用 sudo insmod 加载该模块。
   • 在具有 root 权限的终端中，您可以使用 cat 命令读取这些属性的值，并使用 echo 命令将值写入这些属性，例如：

     sudo bash
     cd /sys/kernel/kobject_example/
     cat foo          # 显示 foo 属性的当前（原始）值
     echo 42 > foo    # 将值 42 写入属性 foo
     cat foo          # 显示属性 foo 的新值

     注意：您必须有一个 root 终端（sudo bash 可以给您）才能写入这些命令（即 sudo echo 不起作用）。
   • 作为此练习的答案，请展示使用这些命令成功更改 foo、bar 和 baz 值的输出演示。

5. family_reader.c 模块：现在我们将编写一个内核模块，通过 sysfs 接口读取一个 PID，并在系统日志中打印该进程的祖先谱系。

   • 创建一个基于您修改后的 kobject-example.c 文件的新内核模块文件 family_reader.c（即，首先请复制它）。该模块应在 /sys/kernel/fam_reader/ 下创建单个系统属性（像上一个练习一样是整数值）。当您向此属性写入一个整数时，您的模块应尝试打印出该 PID 的祖先谱系（即，它的父进程，然后是父进程的父进程，依此类推，一直追溯到 init 任务）。涉及几个步骤：
     • 旁注：现代 Linux 内核为了便于在不同虚拟主机之间迁移进程，区分了“真实”PID 和“虚拟”PID。虚拟 PID 是进程从用户空间看到的 PID。
     • 您需要将整数输入转换为合适的内核 PID。使用函数 find_vpid()（请参阅 include/linux/pid.h 和 kernel/pid.c），它返回一个 struct pid *。此函数可能失败，因此在解引用指针之前务必检查其返回值。
     • 接下来，您可以通过将 struct pid * 和标志 PIDTYPE_PID 传递给函数 get_pid_task()（请参阅 include/linux/pid.h 和 kernel/pid.c）来将其转换为 struct task_struct *。此函数可能失败，因此在解引用指针之前务必检查其返回值。
     • 一旦您有了 struct task_struct *，就可以访问它存储的任何数据。特别是，real_parent 字段存储了生成它的进程的 struct task_struct * 指针，comm 字段是给出命令名称的字符串。
       • 注意：有一个单独的字段叫做 parent，这不是我们本练习想要的。parent 是共享进程组信号并允许父子进程之间等待的逻辑父进程。
     • 回溯家族树，打印出每个任务的 PID 和命令名称，一直回溯到 PID 为 1 的 init 任务。
   • 像上一个模块一样编译您的新内核模块，然后使用 sftp 将生成的 .ko 文件复制到您的树莓派上。在您的树莓派上，安装该模块，然后使用 sudo bash 为您的终端会话提供 root 访问权限。在该模块的目录下（将在 /sys/kernel/ 下），使用 cat 和 echo 读取和写入该模块属性的值，然后使用 dmesg 确认系统日志显示您的模块工作正常。
   • 使用 ps 命令查找在您当前终端窗口中运行的 sudo 进程的 PID，使用 echo 将您的模块属性设置为该 PID，然后使用 dmesg 查看该进程的祖先谱系。作为此练习的答案，请展示显示 sudo 进程祖先谱系的系统日志消息。

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可选拓展练习 (Optional Enrichment Exercises)

6. 探索 task_struct：task_struct 包含许多有趣的进程数据和进程记账信息。尝试将其他字段打印到系统日志中，并作为此练习的答案，请简要描述您打印了哪些内容，并展示执行此操作后的一些系统日志消息。
7. 探索调度程序功能：kernel/sched 和 include/linux/sched 中的文件包含许多用于处理任务的功能，包括修改特定任务或迭代系统中每个任务的能力。例如，include/linux/sched/signal.h 定义了诸如 for_each_process() 之类的宏。尝试使用其中一些功能，并作为此练习的答案，请简要描述您做了什么以及观察到了什么。

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