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	作业要求链接
学号-姓名	17041411-陈景思
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

实验内容

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 <unistd.h>
#include <stdio.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：

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。

// 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。

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 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：

// 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。

// 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。

// ipcget.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);
 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; 
}

3. 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 : 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）。

// 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 = %d\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

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。

// 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; 
}

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。

// 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;
}

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：信号量操作 示例

// 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; 
}

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; 
}

这里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。