实验八 进程间通信
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17041413-管锋正 |
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作业学习目标 |
1、了解进程间通信的常用方式。 2、掌握管道、消息队列、信号量、共享内存实现进程间通信的方法 |
1. 管道通信
匿名管道：
当进程使用 pipe 函数，就可以打开位于内核中的这个特殊“文件”。同时 pipe 函数会返回两个描述符，一个用于读，一个用于写。如果你使用 fstat 函数来测试该描述符，可以发现此文件类型为 FIFO 。而无名管道的无名，指的就是这个虚幻的“文件”，它没有名字。
man 2 pipe
pipe 函数打开的文件描述符是通过参数（数组）传递出来的，而返回值表示打开成功（0）或失败 （-1）。
它的参数是一个大小为 2 的数组。此数组的第 0 个元素用来接收以读的方式打开的描述符，而第 1 个元素用来接收以写的方式打开的描述符。也就是说， pipefd[0] 是用于读的，而 pipefd[1] 是用于写的。
打开了文件描述符后，就可以使用 read(pipefd[0]) 和 write(pipefd[1]) 来读写数据了。
注意事项:这两个分别用于读写的描述符必须同时打开才行，否则会出问题。
如果关闭读 ( close(pipefd[0]) ) 端保留写端，继续向写端 ( pipefd[1] ) 端写数据( write 函数)的进程会收到 SIGPIPE 信号。
如果关闭写 ( close(pipefd[1]) ) 端保留读端，继续向读端 ( pipefd[0] ) 端读数据( read 函数)，read 函数会返回 0.
例题：
父进程 fork 出一个子进程，通过无名管道向子进程发送字符，子进程收到数据后将字符串中的小写字符转换成大写并输出。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h> #include <stdlib.h> #include <ctype.h> void child(int *fd) { close(fd[1]); // 子进程关闭写端 char buf[64]; int n = 0,i; while(1) { n = read(fd[0], buf, 64);//如果没有数据可读,read会阻塞;如果父进程退出，read返回0. for (i = 0; i < n; ++i) putchar(toupper(buf[i])); if (*buf == 'q') { close(fd[0]); exit(0); } if (n == 0) { puts("no data to read!"); sleep(1); } } exit(0);}int main() { int fd[2];//作为传出参数 int n = 0; char buf[64] = { 0 }; if (pipe(fd) < 0) { perror("pipe"); return -1; } pid_t pid = fork(); if (pid == 0) { child(fd); } close(fd[0]);// 父进程关闭读端 while (1) { n = read(STDIN_FILENO, buf, 64); write(fd[1], buf, n); if (*buf == 'q') { close(fd[1]); exit(0); } } return 0;}
命名管道
1) 通过命令 mkfifo 创建管道
man mkfifo
2.通过函数 mkfifo(3) 创建管道
man 3 mkfifo
FIFO 文件的特性
a） 查看文件属性
当使用 mkfifo 创建 hello 文件后，查看文件信息如下：
b) 使用 cat 命令打印 hello 文件内容:
接下来你的 cat 命令被阻塞住。
开启另一个终端，执行：
然后你会看到被阻塞的 cat 又继续执行完毕，在屏幕打印 “hello world” 。如果你反过来执行上面 两个命令，会发现先执行的那个总是被阻塞
c) fifo 文件特性
*根据前面两个实验，可以总结：
*文件属性前面标注的文件类型是 p ，代表管道
*文件大小是 0
fifo 文件需要有读写两端，否则在打开 fifo 文件时会阻塞
当然了，如果在 open 的时候，使用了非阻塞方式，肯定是不会阻塞的。特别地，如果以非阻塞写的方式 open ，同时没有进程为该文件以读的方式打开，会导致 open 返回错误(-1)，同时 errno 设置ENXIO .
例题：编写两个程序，分别是发送端 pipe_send 和接收端面 pipe_recv 。程序 pipe_send 从标准输入接收字符，并发送到程序 pipe_recv ，同时 pipe_recv 将接收到的字符打印到屏幕。
// pipe_send.c
#include <unistd.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <stdio.h> int main() { char buf[64]; int n = 0; int fd = open("hello", O_WRONLY); if (fd < 0) { perror("open fifo"); return -1; } puts("has opend fifo"); while((n = read(STDIN_FILENO, buf, 64)) > 0) { write(fd, buf, n); if (buf[0] == 'q') break; } close(fd); return 0; }// pipe_recv.c
#include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <stdio.h> int main() { char buf[64]; int n = 0; int fd = open("hello", O_RDONLY); if (fd < 0) { perror("open fifo"); return -1; } puts("has opened fifo"); while((n = read(fd, buf, 64)) > 0) { write(STDOUT_FILENO, buf, n); } if (n == 0) { puts("remote closed"); } else { perror("read fifo"); return -1; } close(fd); return 0;} 
分别开启两个终端，分别运行 pipe_send 和 pipe_recv :
现在两个终端都处于阻塞状态，我们在运行 pipe_send 的终端输入数据，然后我们就可以在运行pipe_recv 的终端看到相应的输出:
可以用组合按键结束上述两个进程。
4、编写两个程序分别通过指定的键值创建IPC内核对象，以及获取该指定键值的IPC内核对象。
每个 IPC 内核对象都是位于内核空间中的一个结构体。具体的对于共享内存、消息队列和信号量，他们在内核空间中都有对应的结构体来描述。
当你使用 get 后缀创建内核对象时，内核中就会为它开辟一块内存保存它。只要你不显式删除该内核对象，它就永远位于内核空间中，除非你关机重启。
进程空间的高 1G 空间（ 3GB-4GB ）是内核空间，该空间中保存了所有的 IPC 内核对象。
上图给出不同的 IPC 内核对象在内存中的布局（以数组的方式），实际操作系统的实现并不一定是数组，也可能是链表或者其它数据结构等等。
每个内核对象都有自己的 id 号（数组的索引）。此 id 号可以被用户空间使用。所以只要用户空间知道了内核对象的 id 号，就可以操控内核对象了。
为了能够得到内核对象的 id 号，用户程序需要提供键值—— key ，它的类型是 key_t （ int 整型）。
系统调用函数（ shmget , msgget 和 semget ）根据 key ，就可以查找到你需要的内核 id号。
在内核创建完成后，就已经有一个唯一的 key 值和它绑定起来了，也就是说 key 和内核对象是一 一对应的关系。(key = 0为特殊的键,它不能用来查找内核对象）
创建 IPC 内核对象
man 2 shmget
man 2 msgget
man 2 semget
例题：
程序 ipccreate 用于在指定的键值上创建 ipc 内核对象。使用格式为 ./ipccreate ，比如 ./ipccreate 0 0x8888 表示在键值 0x8888 上创建共享内存。
//ipccreate.c
#include <unistd.h> #include <sys/ipc.h>#include <sys/shm.h> #include <sys/msg.h>#include <sys/sem.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> int main(int argc, char* argv[]) { if (argc < 3) { printf("%s <ipc type> <key>\n", argv[0]); return -1; } key_t key = strtoll(argv[2], NULL, 16);//key char type = argv[1][0];// char buf[64]; int id; if (type == '0') {//创建共享内存 id = shmget(key, getpagesize(), IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0644); strcpy(buf, "share memory"); } else if (type == '1') {//创建消息队列 id = msgget(key, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0644); strcpy(buf, "message queue"); } else if (type == '2') {//创建信号量 id = semget(key, 5, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0644); strcpy(buf, "semaphore"); } else { printf("type must be 0, 1, or 2\n"); return -1; } if (id < 0) { perror("get error"); return -1; } printf("create %s at 0x%x, id = %d\n", buf, key, id); return 0; }
获取 ipc 内核对象
程序 ipcget 用于在指定的键值上获取 ipc 内核对象的 id 号。使用格式为 ./ipcget ，比如 ./ipcget 0 0x8888 表示获取键值 0x8888 上的共享内存 id 号。
#include <unistd.h>
#include <sys/ipc.h> #include <sys/shm.h> #include <sys/msg.h> #include <sys/sem.h> #include <stdio.h>#include <stdlib.h> #include <string.h> int main(int argc, char* argv[]) { if (argc < 3) { printf("%s <ipc type> <key>\n", argv[0]); return -1; } key_t key = strtoll(argv[2], NULL, 16); char type = argv[1][0]; char buf[64]; int id; if (type == '0') { id = shmget(key, 0, 0); strcpy(buf, "share memory"); } else if (type == '1') { id = msgget(key, 0); strcpy(buf, "message queue"); } else if (type == '2') { id = semget(key, 0, 0); strcpy(buf, "semaphore"); } else { printf("type must be 0, 1, or 2\n"); return -1; } if (id < 0) { perror("get error"); return -1; } printf("get %s at 0x%x, id = %d\n", buf, key, id); return 0; }
5、编写一个程序可以用来创建、删除内核对象，也可以挂接、卸载共享内存，还可以打印、设置内核对象信息。
共享内存
前面已经知道如何创建内核对象，接下来分别了解三种内核对象的操作：
man 2 shmop
man 2 shmctl
例题：
编写一个程序 shmctl 可以用来创建、删除内核对象，也可以挂接、卸载共享内存，还可以打印、设置内核对象信息。具体使用方法具体见下面的说明
//shmctl.c #include <unistd.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/shm.h> #include <stdio.h> #include <time.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#define ASSERT(res) if((res)<0){perror(__FUNCTION__);exit(-1);} // 打印 ipc_perm void printPerm(struct ipc_perm *perm) { printf("euid of owner = %d\n", perm->uid); printf("egid of owner = %d\n", perm->gid); printf("euid of creator = %d\n", perm->cuid); printf("egid of creator = %d\n", perm->cgid); printf("mode = 0%o\n", perm->mode);}// 打印 ipc 内核对象信息void printShmid(struct shmid_ds *shmid) { printPerm(&shmid->shm_perm); printf("segment size = %ld\n", shmid->shm_segsz); printf("last attach time = %s", ctime(&shmid->shm_atime)); printf("last detach time = %s", ctime(&shmid->shm_dtime)); printf("last change time = %s", ctime(&shmid->shm_ctime)); printf("pid of creator = %d\n", shmid->shm_cpid); printf("pid of last shmat/shmdt = %d\n", shmid->shm_lpid); printf("No. of current attaches = %ld\n", shmid->shm_nattch);}// 创建 ipc 内核对象void create() { int id = shmget(0x8888, 123, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0664); printf("create %d\n", id); ASSERT(id); }// IPC_STAT 命令使用，用来获取 ipc 内核对象信息 void show() { int id = shmget(0x8888, 0, 0); ASSERT(id); struct shmid_ds shmid; ASSERT(shmctl(id, IPC_STAT, &shmid)); printShmid(&shmid);}// IPC_SET 命令使用，用来设置 ipc 内核对象信息 void set() { int id = shmget(0x8888, 123, IPC_CREAT | 0664); ASSERT(id); struct shmid_ds shmid; ASSERT(shmctl(id, IPC_STAT, &shmid)); shmid.shm_perm.mode = 0600; ASSERT(shmctl(id, IPC_SET, &shmid)); printf("set %d\n", id); }// IPC_RMID 命令使用，用来删除 ipc 内核对象 void rm() { int id = shmget(0x8888, 123, IPC_CREAT | 0664); ASSERT(id); ASSERT(shmctl(id, IPC_RMID, NULL)); printf("remove %d\n", id); }// 挂接和卸载 void at_dt() { int id = shmget(0x8888, 123, IPC_CREAT | 0664); ASSERT(id); char *buf = shmat(id, NULL, 0); if (buf == (char*)-1) ASSERT(-1); printf("shmat %p\n", buf); sleep(5); // 等待 5 秒后，执行 shmdt ASSERT(shmdt(buf)); printf("shmdt %p\n", buf); }int main(int argc, char *argv[]) { if (argc < 2) { printf("usage: %s <option -c -v -s -d -a>\n", argv[0]); return -1; } printf("I'm %d\n", getpid()); if (!strcmp(argv[1], "-c")) { create(); } else if (!strcmp(argv[1], "-v")) { show(); } else if (!strcmp(argv[1], "-s")) { set(); } else if (!strcmp(argv[1], "-d")) { rm(); } else if (!strcmp(argv[1], "-a")) { at_dt(); } return 0;}
先在另一个终端执行 ./shmctl -a ，然后在当前终端执行 ./shmctl -v （注意手速，5秒内要搞定）。
执行./shmctl -v后立即运行
执行./shmctl -v运行结束后运行
6.编写两程序分别用于向消息队列发送数据和接收数据。 msg_send 程序定义了一个结构体 Msg ，消息正文部分是结构体 Person 。该程序向消息队列发送了 10 条消息。
消息队列相关的函数
man 2 msgop
例题：
程序 msg_send 和 msg_recv 分别用于向消息队列发送数据和接收数据。 msg_send 程序定义了一个结构体 Msg ，消息正文部分是结构体 Person 。该程序向消息队列发送了 10 条消息。
// msg_send.c
#include <unistd.h> #include <sys/ipc.h>#include <sys/msg.h> #include <stdio.h>#include <stdlib.h>#define ASSERT(prompt,res) if((res)<0){perror(#prompt);exit(-1);} typedef struct { char name[20]; int age; }Person;typedef struct { long type; Person person;}Msg;int main(int argc, char *argv) { int id = msgget(0x8888, IPC_CREAT | 0664); ASSERT(msgget, id); Msg msg[10] = { {1, {"Luffy",17}}, {1, {"Zoro",19}}, {2, {"Nami",18}}, {2, {"Usopo",17}}, {1, {"Sanji",19}}, {3, {"Chopper",15}}, {4, {"Robin",28}}, {4, {"Franky",34}}, {5, {"Brook",88}}, {6, {"Sunny",2}} }; int i; for (i = 0; i < 10; ++i) { int res = msgsnd(id, &msg[i], sizeof(Person), 0); ASSERT(msgsnd, res); } return 0;}// msg_recv.c
#include <unistd.h>#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/msg.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <errno.h>#define ASSERT(prompt,res) if((res)<0){perror(#prompt);exit(-1);}typedef struct {char name[20];int age;}Person;typedef struct {long type;Person person;}Msg;void printMsg(Msg *msg) {printf("{ type = %ld, name = %s, age = %d }\n",msg->type, msg->person.name, msg->person.age);}int main(int argc, char *argv[]) {if (argc < 2) {printf("usage: %s <type>\n", argv[0]); return -1; }long type = atol(argv[1]);int id = msgget(0x8888, 0); ASSERT(msgget, id); Msg msg; int res; while(1) { res = msgrcv(id, &msg, sizeof(Person), type, IPC_NOWAIT); if (res < 0) { if (errno == ENOMSG) { printf("No message!\n"); break; } else { ASSERT(msgrcv, res); } } printMsg(&msg); } return 0;}
接收类型为 4 的消息,这时要重新运行 ./msg_send :
接收类型小于等于 3 的所有消息,这是不用再运行 ./msg_send :
7.编写程序举例说明信号量如何操作。
设置和获取信号量值的函数 semctl :
man 2 semctl
//semop.c
#include <unistd.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/sem.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h> #define R0 0#define R1 1 #define R2 2 void printSem(int id) { unsigned short vals[3] = { 0 }; semctl(id, 3, GETALL, vals); printf("R0 = %d, R1= %d, R2 = %d\n\n", vals[0], vals[1], vals[2]); }int main() { int id = semget(0x8888, 3, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0664); // 打印信号量值 puts("信号量初始值（默认值）"); printSem(id); // 1. 设置第 2 个信号量值 puts("1. 设置第 2 个信号量(R2)值为 20"); semctl(id, 2, SETVAL, 20); printSem(id); // 2. 同时设置 3 个信号量的值 puts("2. 同时设置 3 个信号量的值为 12, 5, 9"); unsigned short vals[3] = {12, 5, 9}; semctl(id, 0, SETALL, vals); printSem(id); // 3. 请求 2 个 R0 资源 puts("3. 请求 2 个 R0 资源"); struct sembuf op1 = {0, -2, 0}; semop(id, &op1, 1); printSem(id); // 4. 请求 3 个 R1 和 5 个 R2 puts("4. 请求 3 个 R1 和 5 个 R2"); struct sembuf ops1[2] = { {1, -3, 0}, {2, -5, 0} }; semop(id, ops1, 2); printSem(id); // 5. 释放 2 个 R1 puts("5. 释放 2 个 R1"); struct sembuf op2 = {1, 2, 0}; semop(id, &op2, 1); printSem(id); // 6. 释放 1 个 R0, 1 个 R1，3 个 R2 puts("6. 释放 1 个 R0, 1 个 R1，3 个 R2"); struct sembuf ops2[3] = { {0, 1, 0}, {1, 1, 0}, {2, 3, 0} }; semop(id, ops2, 3); printSem(id); // 7. 删除 ipc 内核对象 puts("7. 删除 ipc 内核对象"); semctl(id, 0, IPC_RMID); return 0; }
8.编写程序使用信号量实现父子进程之间的同步，防止父子进程抢夺 CPU 。
例题：
使用信号量实现父子进程之间的同步，防止父子进程抢夺 CPU：
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>#include<sys/ipc.h>#include<sys/sem.h> static int semid; static void sem_set(){ if(semctl(semid,0,SETVAL,1)==-1) { perror("semctl"); exit(1); } }static void sem_p(){ struct sembuf op = {0,-1,0}; if(semop(semid,&op,1) == -1){ perror("semop"); exit(1); } }static void sem_v(){ struct sembuf op = {0,1,0}; if(semop(semid,&op,1) == -1){ perror("semop"); exit(1); }}static void sem_del(){ if(semctl(semid,0,IPC_RMID) == -1){ perror("semctl"); exit(1); }}int main(){ int i; pid_t pid; char ch = 'C'; semid = semget((key_t)1000,1,0664|IPC_CREAT); if(semid == -1){ perror("semget"); exit(1); } sem_set(); pid = fork(); if(pid == -1){ sem_del(); exit(1); } else if (pid == 0) ch = 'Z'; else ch = 'C'; srand((unsigned int)getpid()); for(i=0;i<8;i++) { sem_p();// printf("%c",ch); fflush(stdout); sleep(rand()%4); printf("%c",ch); fflush(stdout); sleep(1); sem_v();// } if(pid > 0) { wait(NULL); sem_del(); } printf("\n"); return 0;}
上面所运行程序可以看到字符是成对出现的，如果大家修改程序把57行 sem_p(); 和64行 sem_v(); 注释掉，在编译运行会发现字符可能就不会成对出现了，这里就是用信号量来帮我们实现进程间的同步的。
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