2017-2018-1 20155202 实验三 实时系统
2017-2018-1 20155202 实验三 实时系统
- 本次实验分3节，但是由于实验条件有限，所以只进行了两节实验，第三节实验取消。
任务一
- 学习使用Linux命令wc(1)
- 基于Linux Socket程序设计实现wc（1）服务器(端口号是你学号的后6位)和客户端
- 客户端传一个文本文件给服务器
- 服务器返加文本文件中的单词数
任务二
- 使用多线程实现wc服务器并使用同步互斥机制保证计数正确
实验操作
任务一 ： 实现过程一共分为三步：
- 实现wc功能
- 实现客户端给服务器传文件功能
- 在客户端调用wc函数统计传过来的文件的单词个数
wc命令参数：
-
- 用wc命令做到只打印统计数字不打印文件名：cat test.txt |wc -l
- -c 统计字节数。
- -l 统计行数。
- -m 统计字符数。这个标志不能与 -c 标志一起使用。
- -w 统计字数。一个字被定义为由空白、跳格或换行字符分隔的字符串。
- -L 打印最长行的长度。
- -help 显示帮助信息
- --version 显示版本信息
-
思路：创建一个字节流，将文件传入数据流，并且记录单词数，再传入客户端
-
单词数判定：空格和之前有ascll码不为零的数合起来算一个。
运行结果：
代码展示
服务器代码：
#include <netinet/in.h> // for sockaddr_in
#include <sys/types.h> // for socket
#include <sys/socket.h> // for socket
#include <stdio.h> // for printf
#include <stdlib.h> // for exit
#include <string.h> // for bzero
/*
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
*/
#define HELLO_WORLD_SERVER_PORT 6666
#define LENGTH_OF_LISTEN_QUEUE 20
#define BUFFER_SIZE 1024
#define FILE_NAME_MAX_SIZE 512
int main(int argc, char **argv)
{
//设置一个socket地址结构server_addr,代表服务器internet地址, 端口
struct sockaddr_in server_addr;
bzero(&server_addr,sizeof(server_addr)); //把一段内存区的内容全部设置为0
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr = htons(155202);
server_addr.sin_port = htons(HELLO_WORLD_SERVER_PORT);
//创建用于internet的流协议(TCP)socket,用server_socket代表服务器socket
int server_socket = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
if( server_socket < 0)
{
printf("Create Socket Failed!");
exit(1);
}
//把socket和socket地址结构联系起来
if( bind(server_socket,(struct sockaddr*)&server_addr,sizeof(server_addr)))
{
printf("Server Bind Port : %d Failed!", HELLO_WORLD_SERVER_PORT);
exit(1);
}
//server_socket用于监听
if ( listen(server_socket, LENGTH_OF_LISTEN_QUEUE) )
{
printf("Server Listen Failed!");
exit(1);
}
while (1) //服务器端要一直运行
{
//定义客户端的socket地址结构client_addr
struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t length = sizeof(client_addr);
//接受一个到server_socket代表的socket的一个连接
//如果没有连接请求,就等待到有连接请求--这是accept函数的特性
//accept函数返回一个新的socket,这个socket(new_server_socket)用于同连接到的客户的通信
//new_server_socket代表了服务器和客户端之间的一个通信通道
//accept函数把连接到的客户端信息填写到客户端的socket地址结构client_addr中
int new_server_socket = accept(server_socket,(struct sockaddr*)&client_addr,&length);
if ( new_server_socket < 0)
{
printf("Server Accept Failed!\n");
break;
}
char buffer[BUFFER_SIZE];
bzero(buffer, BUFFER_SIZE);
length = recv(new_server_socket,buffer,BUFFER_SIZE,0);
if (length < 0)
{
printf("Server Recieve Data Failed!\n");
break;
}
char file_name[FILE_NAME_MAX_SIZE+1];
bzero(file_name, FILE_NAME_MAX_SIZE+1);
strncpy(file_name, buffer, strlen(buffer)>FILE_NAME_MAX_SIZE?FILE_NAME_MAX_SIZE:strlen(buffer));
// int fp = open(file_name, O_RDONLY);
// if( fp < 0 )
FILE * fp = fopen(file_name,"r");
if(NULL == fp )
{
printf("File:\t%s Not Found\n", file_name);
}
else
{
bzero(buffer, BUFFER_SIZE);
int file_block_length = 0;
// while( (file_block_length = read(fp,buffer,BUFFER_SIZE))>0)
while( (file_block_length = fread(buffer,sizeof(char),BUFFER_SIZE,fp))>0)
{
printf("file_block_length = %d\n",file_block_length);
//发送buffer中的字符串到new_server_socket,实际是给客户端
if(send(new_server_socket,buffer,file_block_length,0)<0)
{
printf("Send File:\t%s Failed\n", file_name);
break;
}
bzero(buffer, BUFFER_SIZE);
}
// close(fp);
fclose(fp);
printf("File:\t%s Transfer Finished\n",file_name);
}
//关闭与客户端的连接
close(new_server_socket);
}
//关闭监听用的socket
close(server_socket);
return 0;
}
客户端代码：
#include <netinet/in.h> // for sockaddr_in
#include <sys/types.h> // for socket
#include <sys/socket.h> // for socket
#include <stdio.h> // for printf
#include <stdlib.h> // for exit
#include <string.h> // for bzero
/*
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
*/
#define HELLO_WORLD_SERVER_PORT 6666
#define BUFFER_SIZE 1024
#define FILE_NAME_MAX_SIZE 512
#define INADDR_ANY 155202 //20155202张旭学号
int main(int argc, char **argv)
{
if (argc != 2)
{
printf("Usage: ./%s ServerIPAddress\n",argv[0]);
exit(1);
}
//设置一个socket地址结构client_addr,代表客户机internet地址, 端口
struct sockaddr_in client_addr;
bzero(&client_addr,sizeof(client_addr)); //把一段内存区的内容全部设置为0
client_addr.sin_family = AF_INET; //internet协议族
client_addr.sin_addr.s_addr = htons(INADDR_ANY);//INADDR_ANY表示自动获取本机地址
client_addr.sin_port = htons(0); //0表示让系统自动分配一个空闲端口
//创建用于internet的流协议(TCP)socket,用client_socket代表客户机socket
int client_socket = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if( client_socket < 0)
{
printf("Create Socket Failed!\n");
exit(1);
}
//把客户机的socket和客户机的socket地址结构联系起来
if( bind(client_socket,(struct sockaddr*)&client_addr,sizeof(client_addr)))
{
printf("Client Bind Port Failed!\n");
exit(1);
}
//设置一个socket地址结构server_addr,代表服务器的internet地址, 端口
struct sockaddr_in server_addr;
bzero(&server_addr,sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET;
if(inet_aton(argv[1],&server_addr.sin_addr) == 0) //服务器的IP地址来自程序的参数
{
printf("Server IP Address Error!\n");
exit(1);
}
server_addr.sin_port = htons(HELLO_WORLD_SERVER_PORT);
socklen_t server_addr_length = sizeof(server_addr);
//向服务器发起连接,连接成功后client_socket代表了客户机和服务器的一个socket连接
if(connect(client_socket,(struct sockaddr*)&server_addr, server_addr_length) < 0)
{
printf("Can Not Connect To %s!\n",argv[1]);
exit(1);
}
char file_name[FILE_NAME_MAX_SIZE+1];
bzero(file_name, FILE_NAME_MAX_SIZE+1);
printf("Please Input File Name On Server:\t");
scanf("%s", file_name);
char buffer[BUFFER_SIZE];
bzero(buffer,BUFFER_SIZE);
strncpy(buffer, file_name, strlen(file_name)>BUFFER_SIZE?BUFFER_SIZE:strlen(file_name));
//向服务器发送buffer中的数据
send(client_socket,buffer,BUFFER_SIZE,0);
// int fp = open(file_name, O_WRONLY|O_CREAT);
// if( fp < 0 )
FILE * fp = fopen(file_name,"w");
if(NULL == fp )
{
printf("File:\t%s Can Not Open To Write\n", file_name);
exit(1);
}
//从服务器接收数据到buffer中
bzero(buffer,BUFFER_SIZE);
int length = 0;
while( length = recv(client_socket,buffer,BUFFER_SIZE,0))
{
if(length < 0)
{
printf("Recieve Data From Server %s Failed!\n", argv[1]);
break;
}
// int write_length = write(fp, buffer,length);
int write_length = fwrite(buffer,sizeof(char),length,fp);
if (write_length<length)
{
printf("File:\t%s Write Failed\n", file_name);
break;
}
bzero(buffer,BUFFER_SIZE);
}
printf("Recieve File:\t %s From Server[%s] Finished\n",file_name, argv[1]);
fclose(fp);
//关闭socket
close(client_socket);
return 0;
}
实验二：
C语言如何在线程间实现同步和互斥
线程之间的同步和互斥解决的问题是线程对共同资源进行访问。Posix有两种方式：
信号量和互斥锁；信号量适用同时可用的资源为多个的情况；互斥锁适用于线程可用的资源只有一个的情况
- 1、互斥锁：互斥锁是用加锁的方式来控制对公共资源的原子操作(一旦开始进行就不会被打断的操作)
- 互斥锁只有上锁和解锁两种状态。互斥锁可以看作是特殊意义的全局变量，因为在同一时刻只有一个线程能够对互斥锁进行操作；只有上锁的进程才可以对公共资源进行访问，其他进程只能等到该进程解锁才可以对公共资源进行操作。
- 互斥锁操作函数：
pthread_mutex_init();//初始化
pthread_mutex_lock();//上锁 参数：pthread_mutex_t *mutex
pthread_mutex_trylock();//判断上锁 参数：pthread_mutex_t *mutex
- 解锁如下：
pthread_mutex_unlock();//解锁 参数：pthread_mutex_t *mutex
pthread_mutex_release();//消除互斥锁 参数：pthread_mutex_t *mutex
互斥锁分为快速互斥锁、递归互斥锁、检错互斥锁；在 init 的时候确定
int pthread_mutex_t(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutex_t mutexattr);
第一个参数：进行操作的锁
mutexattr：锁的类型，默认快速互斥锁（阻塞）
2、信号量：信号量本质上是一个计数器，在操作系统做用于PV原子操作；
- P操作使计数器－1；V操作使计数器+1.
在互斥操作中可以是使用一个信号量；在同步操作中需要使用多个信号量，并设置不同的初始值安排它们顺序执行
sem_init(); // 初始化操作
sem_wait(); // P操作，计数器减一；阻塞 参数：sem_t *sem
sem_trywait(); // P操作，计数器减一；非阻塞 参数：sem_t *sem
sem_post(); // V操作，计数器加一 参数：sem_t *sem
sem_destroy(); // 销毁信号量 参数：sem_t *sem
sem_init(sem_t *sem, int pshared, int value);
pshared用于指定多少个进程共享；value初始值
通过研究Linux的进程同步机制和信号量，实现生产者消费者问题的并发控制
- 测试代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#define N 2 // 消费者或者生产者的数目
#define M 10 // 缓冲数目
int in = 0; // 生产者放置产品的位置
int out = 0; // 消费者取产品的位置
int buff[M] = {0}; // 缓冲初始化为0， 开始时没有产品
sem_t empty_sem; // 同步信号量， 当满了时阻止生产者放产品
sem_t full_sem; // 同步信号量， 当没产品时阻止消费者消费
pthread_mutex_t mutex; // 互斥信号量， 一次只有一个线程访问缓冲
int product_id = 0; //生产者id
int prochase_id = 0; //消费者id
/* 打印缓冲情况 */
void print()
{
int i;
for(i = 0; i < M; i++)
printf("%d ", buff[i]);
printf("\n");
}
/* 生产者方法 */
void *product()
{
int id = ++product_id;
while(1)
{
// 用sleep的数量可以调节生产和消费的速度，便于观察
sleep(1);
//sleep(1);
sem_wait(&empty_sem);
pthread_mutex_lock(&mutex);
in = in % M;
printf("product%d in %d. like: \t", id, in);
buff[in] = 1;
print();
++in;
pthread_mutex_unlock(&mutex);
sem_post(&full_sem);
}
}
/* 消费者方法 */
void *prochase()
{
int id = ++prochase_id;
while(1)
{
// 用sleep的数量可以调节生产和消费的速度，便于观察
sleep(1);
//sleep(1);
sem_wait(&full_sem);
pthread_mutex_lock(&mutex);
out = out % M;
printf("prochase%d in %d. like: \t", id, out);
buff[out] = 0;
print();
++out;
pthread_mutex_unlock(&mutex);
sem_post(&empty_sem);
}
}
int main()
{
pthread_t id1[N];
pthread_t id2[N];
int i;
int ret[N];
// 初始化同步信号量
int ini1 = sem_init(&empty_sem, 0, M);
int ini2 = sem_init(&full_sem, 0, 0);
if(ini1 && ini2 != 0)
{
printf("sem init failed \n");
exit(1);
}
//初始化互斥信号量
int ini3 = pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
if(ini3 != 0)
{
printf("mutex init failed \n");
exit(1);
}
// 创建N个生产者线程
for(i = 0; i < N; i++)
{
ret[i] = pthread_create(&id1[i], NULL, product, (void *)(&i));
if(ret[i] != 0)
{
printf("product%d creation failed \n", i);
exit(1);
}
}
//创建N个消费者线程
for(i = 0; i < N; i++)
{
ret[i] = pthread_create(&id2[i], NULL, prochase, NULL);
if(ret[i] != 0)
{
printf("prochase%d creation failed \n", i);
exit(1);
}
}
//销毁线程
for(i = 0; i < N; i++)
{
pthread_join(id1[i],NULL);
pthread_join(id2[i],NULL);
}
exit(0);
}
运行结果：
代码展示
服务器
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <pthread.h>
#define PORT 20155202 //张旭学号
#define BACKLOG 5
#define MAXDATASIZE 1000
void process_cli(int connfd, struct sockaddr_in client);
void *function(void* arg);
struct ARG {
int connfd;
struct sockaddr_in client;
};
main()
{
int listenfd,connfd;
pthread_t tid;
struct ARG *arg;
struct sockaddr_in server;
struct sockaddr_in client;
socklen_t len;
if ((listenfd =socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
perror("Creatingsocket failed.");
exit(1);
}
int opt =SO_REUSEADDR;
setsockopt(listenfd,SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));
bzero(&server,sizeof(server));
server.sin_family=AF_INET;
server.sin_port=htons(PORT);
server.sin_addr.s_addr= htonl (INADDR_ANY);
if (bind(listenfd,(struct sockaddr *)&server, sizeof(server)) == -1) {
perror("Bind()error.");
exit(1);
}
if(listen(listenfd,BACKLOG)== -1){
perror("listen()error\n");
exit(1);
}
len=sizeof(client);
while(1)
{
if ((connfd =accept(listenfd,(struct sockaddr *)&client,&len))==-1) {
perror("accept() error\n");
exit(1);
}
arg = (struct ARG *)malloc(sizeof(struct ARG));
arg->connfd =connfd;
memcpy((void*)&arg->client, &client, sizeof(client));
if(pthread_create(&tid, NULL, function, (void*)arg)) {
perror("Pthread_create() error");
exit(1);
}
}
close(listenfd);
}
void process_cli(int connfd, struct sockaddr_in client)
{
int num;
char recvbuf[MAXDATASIZE], sendbuf[MAXDATASIZE], cli_name[MAXDATASIZE];
printf("Yougot a connection from %s. \n ",inet_ntoa(client.sin_addr) );
num = recv(connfd,cli_name, MAXDATASIZE,0);
if (num == 0) {
close(connfd);
printf("Clientdisconnected.\n");
return;
}
cli_name[num - 1] ='\0';
printf("Client'sname is %s.\n",cli_name);
while (num =recv(connfd, recvbuf, MAXDATASIZE,0)) {
recvbuf[num] ='\0';
printf("Receivedclient( %s ) message: %s",cli_name, recvbuf);
int i;
for (i = 0; i <num - 1; i++) {
if((recvbuf[i]>='a'&&recvbuf[i]<='z')||(recvbuf[i]>='A'&&recvbuf[i]<='Z'))
{
recvbuf[i]=recvbuf[i]+ 3;
if((recvbuf[i]>'Z'&&recvbuf[i]<='Z'+3)||(recvbuf[i]>'z'))
recvbuf[i]=recvbuf[i]- 26;
}
sendbuf[i] =recvbuf[i];
}
sendbuf[num -1] = '\0';
send(connfd,sendbuf,strlen(sendbuf),0);
}
close(connfd);
}
void *function(void* arg)
{
struct ARG *info;
info = (struct ARG*)arg;
process_cli(info->connfd,info->client);
free (arg);
pthread_exit(NULL);
}
客户端：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#define PORT 20155202 //张旭学号
#define BACKLOG 5
#define MAXDATASIZE 1000
void process_cli(int connfd, struct sockaddr_in client);
main()
{
int listenfd, connfd;
pid_t pid;
struct sockaddr_in server;
struct sockaddr_in client;
int len;
if ((listenfd =socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
perror("Creatingsocket failed.");
exit(1);
}
int opt =SO_REUSEADDR;
setsockopt(listenfd,SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));
bzero(&server,sizeof(server));
server.sin_family=AF_INET;
server.sin_port=htons(PORT);
server.sin_addr.s_addr= htonl (INADDR_ANY);
if (bind(listenfd,(struct sockaddr *)&server, sizeof(server)) == -1) {
perror("Bind()error.");
exit(1);
}
if(listen(listenfd,BACKLOG)== -1){
perror("listen() error\n");
exit(1);
}
len=sizeof(client);
while(1)
{
if ((connfd =accept(listenfd,(struct sockaddr *)&client,&len))==-1) {
perror("accept() error\n");
exit(1);
}
if ((pid=fork())>0){
close(connfd);
continue;
}
else if (pid==0) {
close(listenfd);
process_cli(connfd, client);
exit(0);
}
else {
printf("fork()error\n");
exit(0);
}
}
close(listenfd);
}
void process_cli(int connfd, struct sockaddr_in client)
{
int num;
char recvbuf[MAXDATASIZE], sendbuf[MAXDATASIZE], cli_name[MAXDATASIZE];
printf("Yougot a connection from %s. ",inet_ntoa(client.sin_addr) );
num = recv(connfd,cli_name, MAXDATASIZE,0);
if (num == 0)
{
close(connfd);
printf("Client disconnected.\n");
return;
}
cli_name[num - 1] ='\0';
printf("Client'sname is %s.\n",cli_name);
while (num =recv(connfd, recvbuf, MAXDATASIZE,0)) {
recvbuf[num] ='\0';
printf("Receivedclient( %s ) message: %s",cli_name, recvbuf);
int i = 0;
for (i = 0;i < num - 1; i++) {
if((recvbuf[i]>='a'&&recvbuf[i]<='z')||(recvbuf[i]>='A'&&recvbuf[i]<='Z'))
{
recvbuf[i]=recvbuf[i]+ 3;
if((recvbuf[i]>'Z'&&recvbuf[i]<='Z'+3)||(recvbuf[i]>'z'))
recvbuf[i]=recvbuf[i]- 26;
}
sendbuf[i] =recvbuf[i];
}
sendbuf[num - 1]= '\0';
send(connfd,sendbuf,strlen(sendbuf),0);
}
close(connfd);
}
实验感想：
单线程并没有比多线程省时间：原因：
-
线程本身由于创建和切换的开销，采用多线程不会提高程序的执行速度，反而会降低速度，但是对于频繁IO操作的程序，多线程可以有效的并发。
-
对于包含不同任务的程序,可以考虑每个任务使用一个线程。这样的程序在设计上相对于单线程做所有事的程序来说，更为清晰明了，比如生产、消费者问题。
