实验八 进程间通信

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学号-姓名	17041525-张思河
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。

   匿名通信：
   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.
   

   举例：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。

   命令管道

   1）通过mkfifo创建管道

   man mkfifo
   

   

   2. 通过函数 mkfifo(3) 创建管道man 3 mkfifo

   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

   

   但 cat 命令会被阻塞住。

   需要在另一个终端执行：

   

   这时就会发现之前的终端被阻塞的 cat 又继续执行完毕，在屏幕打印 “hello world” 。但是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：
   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 。
   

3. 编写两个程序使用第2题中创建的管道进行通信。

   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。

   

   

   

   

   开启两个终端，然后分别运行 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
   在pipe_recv 的终端我们可以看到相应的输出：

   

   

   之后可以用组合键Ctrl+C结束两个进程。

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。

   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。
   

   编写程序 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。

   

   man 2 shmop
   

   

   

   man 2 shmctl
   

   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5秒内要搞定）。

   

   

   若等./shmctl -a ，、执行完成后再执行./shmctl -v则结果如下图示：

   

   

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
   

   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。它的一般形式如下：

   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
     // ...
   }
   

   编写程序 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
   

7. 编写程序举例说明信号量如何操作。

   

   请求和释放信号量 semop

   

   man 2 semop
   

   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。

   

   

   

   

   这里可以看到字符是成对出现的，如果修改程序把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实现进程间的同步的。