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  • 突验 8 进程通信

    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
    这个作业的要求在哪里 作业要求
    姓名一学号 17041528一朱思皓
    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

    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 。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

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  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/hyfg1998/p/13125893.html
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