实验八 进程间通信

实验八  进程间通信

项目内容
这个作业属于哪个课程 Linux系统与应用
这个作业的要求在哪里 实验八要求
学号-姓名 18043125-游景文
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.举例说明使用匿名管道进行进程通信。

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。

可以使用man 进入帮助手册。

 

 

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。

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。

 

 

2.举例说明使用mkfifo命令创建命名管道以及简单演示管道如何工作。

       1):通过命令 mkfifo 创建管道

 

 

2)通过函数 mkfifo(3) 创建管道

 

 

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:

 

 

某些版本的系统在 hello 文件后面还会跟着个 | 符号,像这样 hello|

b) 使用 cat 命令打印 hello 文件内容

 

 

 接下来 cat 命令被阻塞住。
开启另一个终端,执行:

 

 被阻塞的 cat 又继续执行完毕,在屏幕打印 “hello world” 。

 

 如果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:
(1)文件属性前面标注的文件类型是 p ,代表管道
(2)文件大小是 0
(3)fifo 文件需要有读写两端,否则在打开 fifo 文件时会阻塞
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 设置成ENXIO

3.编写两个程序使用第2题中创建的管道进行通信

例题:编写两个程序,分别是发送端 pipe_send 和接收端端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。

 

 

 

 分别开启两个终端,分别运行 pipe_send 和 pipe_recv :

 

 

 

 

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。

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。只要不显式删除该内核对象,它就永远位于内核空间中,除非关机重启。

 

 

​ 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  

 在创建 IPC 内核对象时,用户程序一定需要提供 key 值才行。实际上,创建 IPC 内核对象的函数和获取内核对象 id 的函数是一样的,都是使用 get 后缀函数。比如在键值 0x8888 上创建 ipc 内核对象, 并获取其 id ,应该像下面这样:

int id = shmget(0x8888, 4096, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0644);
int id = msgget(0x8888, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0644); 
int id = semget(0x8888, 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0644); 

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。

 

 

 

 

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。

 

 

 

 

 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。

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:

 

 

 

 

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 : 创建内核对象。

./shmctl -d : 删除内核对象。

./shmctl -v : 显示内核对象信息。

./shmctl -s : 设置内核对象(将权限设置为 0600 )。

./shmctl -a : 挂接和卸载共享内存(挂接 5 秒后,再执行 shmdt ,然后退出)。

 

 

 

 

 

 

 

  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)

 

 

 

 

  可看出第一次执行./shmctl -v共享内存已挂接,5s后执行第二次./shmctl -v共享内存被卸载。 

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
消息队列本质上是位于内核空间的链表,链表的每个节点都是一条消息。每一条消息都有自己的消息类型,消息类型用整数来表示,而且必须大于0.每种类型的消息都被对应的链表所维护,下图展示了内核空间的一个消息队列:

 

 

其中数字 1 表示类型为 1 的消息,数字2、3、4 类似。彩色块表示消息数据,它们被挂在对应类型的链表上。值得注意的是,刚刚说过没有消息类型为0的消息,实际上,消息类型为 0 的链表记录了所有消息加入队列的顺序,其中红色箭头表示消息加入的顺序。
消息队列相关的函数

 man 2 msgop 

消息数据格式
无论你是发送还是接收消息,消息的格式都必须按照规范来。简单的说,它一般长成下面这个样子:

struct Msg{ 
    long type; // 消息类型。这个是必须的,而且值必须 > 0,这个值被系统使用 
    // 消息正文,多少字节随你而定 
    // ... 
}

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。

 View Code

程序 msg_send 第一次运行完后,内核中的消息队列大概像下面这样:

 

 msg_recv 程序接收一个参数,表示接收哪种类型的消息。比如 ./msg_recv 4 表示接收类型为4的消息,并打印在屏幕。

 

 

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 :

 

 

msgctl 函数用来操作消息队列内核对象

 man 2 msgctl 

 

 

7.编写程序举例说明信号量如何操作

 

 

 信号量

设置和获取信号量值的函数 semctl :

 man 2 semctl 

 

 

 请求和释放信号量 semop

 man 2 semop 

 

 

struct sembuf { 
    unsigned short sem_num; /* semaphore number */ 
    short sem_op; /* semaphore operation */ 
    short sem_flg; /* operation flags */
}

例题:信号量操作示例

 

 

 

 

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 。

 

 

 

 修改程序,把57行 sem_p();和64行 sem_v();注释掉,再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实现进程间的同步的。

 

 

 

posted @ 2021-06-16 20:58  You.'  阅读(48)  评论(0编辑  收藏  举报