实验八、进程间通信

项目	内容
这个作业属于哪个课程	<班级课程的主页链接 >
这个作业的要求在哪里	<作业要求链接接地址>
学号-姓名	18043112-付元涛
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。

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。



命名管道

通过命令 mkfifo 创建管道
man mkfifo

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 设置成
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。



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。
2. 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 segget

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：
// 在 0x8888 这个键上创建内核对象，权限为 0644，如果已经存在就返回错误。
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); // 第二个参数表示创建
几个信号量
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。


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 : 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）。


4. 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。

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。



先运行 ./msg_send ，再运行 ./msg_recv 。
接收所有消息:

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 :

还有一个函数来操作消息队列内核对象的
man 2 msgctl

5. 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：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 。