实验八 进程间通信

}实验八 进程间通信

 
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学号-姓名 18043128-赵智宸
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。
(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。
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。


 

 

 

 


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。
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 hello1 文件后,查看文件信息如下:

 

 


某些版本的系统在 hello1 文件后面还会跟着个 | 符号,像这样 hello|
b) 使用 cat 命令打印 hello1 文件内容

 

 


可以看到cat已经被堵塞了。
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:
(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,在运行pipe_send的终端输入数据,然后就可以在运行的pipe_recv的终端看到相应的输出:

 

 

 


 

 


使用组合按键结束上述进程。

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。
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
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


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。
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)。


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。



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。
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 。



这里可以看到字符是成对出现的,如果修改程序把63行 sem_p(); 和70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。

posted @ 2021-06-23 21:01  Meloreo  阅读(27)  评论(0编辑  收藏  举报