实验八 进程间通信

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学号-姓名	17041405-王煜
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。
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。

hellopipe.c

putchar(toupper(buf[i]))             //toupper把小写字母转换为大写字母
                                     //putchar函数是“字符输出函数”,它的功能是向计算机屏幕上输出一个字符
n = read(STDIN_FILENO, buf, 64)      //读取标准输入到buf中,返回读取字节数
int pipe(int pipefd[2])              //可用于创建一个管道,以实现进程间的通信,pipefd[0] 是用于读的，而 pipefd[1] 是用于写的

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         //创建命名管道

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 cat 命令被阻塞住。
开启另一个终端，执行：

然后被阻塞的 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

文件属性前面标注的文件类型是 p ，代表管道文件。
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 .

echo "hello world" > hello     //输出重定向到管道文件中
prw-r--r--                     //p代表管道文件

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。

pipe_send.c

pipe_recv.c

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,我用的是ctrl+c。

int fd = open("hello", O_WRONLY)   //O_WRONLY 以只写方式打开文件hello文件
write(STDOUT_FILENO, buf, n)       //把buf 写到标准输出中

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：

// 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)   
                                //第一个参数标识共享内存的键值，第二个参数指定共享存储段的字节数，第三个参数指定共享内存权限或者方式
int id = msgget(0x8888, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0644)         
                                //第一个参数标识消息队列的键值，第二个参数指定消息队列的权限或者方式
int id = semget(0x8888, 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0644)     
                                // 第一个参数标识信号量数组的键值，第二个参数表示消息量数组的个数，第三个参数指定消息量数组的权限或者方式

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

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

key_t key = strtoll(argv[2], NULL, 16)    //根据指定的进制base,将第一个参数指向的字符串转换为对应的整形
id = shmget(key, 0, 0)                    //获取指定共享内存的key值
strcpy(buf, "share memory")               //把字符串"share memory"复制到buf中
ipcs                                      //用于查看进程间通信

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：

man 2 shmop          //shmop函数用于共享内存操作

man 2 shmctl         //shmctl函数用于共享内存控制

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

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）。
再在另一个终端 ./shmctl -a 执行完，然后在当前终端执行 ./shmctl -v 。

struct shmid_ds shmid                           //定义shmid为shmid_ds类型的结构体
ASSERT(shmctl(id, IPC_STAT, &shmid))            //将得到的共享内存的状态存在shmid结构体中
./shmctl -s mode 0600                           //修改内核对象的权限

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。

消息队列相关的函数

man 2 msgop                     //msgop函数用于消息队列的操作

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

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

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           //msgctl函数用于消息队列的控制

ASSERT(msgget, id)                                          //ASSERT函数是如果它的条件返回错误,则终止程序执行
long type = atol(argv[1])                                   //atol函数的作用是将一个字符串转化为长整型数据
int res = msgsnd(id, &msg[i], sizeof(Person), 0)            //msgsnd函数是用来向消息队列发送消息的

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                 //semctl函数用于信号量数组的控制

请求和释放信号量 semop

man 2 semop                   //semop函数用于信号量数组的操作

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

semop.c

semctl(id, 3, GETALL, vals)                  //GETALL将所有信号的值存入vals数组中
struct sembuf op1 = {0, -2, 0}               //第1个0表示信号量集合中的第一个信号，-2表示操作信号量值减2，第2个0表示设置信号量默认操作
semop(id, &op1, 1)                           //op1指向进行操作的信号量集数组首地址，1是进行操作信号量的个数

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 。

mysem.c

这里可以看到字符是成对出现的，修改程序把65行 sem_p(); 和72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。

#include<sys/types.h> 
#include<unistd.h> 
#include<sys/wait.h>             //添加头文件，解除警告
struct sembuf op = {0,-1,0}      //第1个0表示信号量集合中的第一个信号，-1表示操作信号量值减1，第2个0表示设置信号量默认操作
if(semop(semid,&op,1) == -1)     //请求一个资源
sleep(rand()%4)                  //rand()%4 代表产生0-3之间的随机数,阻塞线程
fflush(stdout)                   //刷新流