实验八 进程间通信

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学号-姓名	17041509-薛博涵
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。

一、举例说明使用匿名管道进行进程通信。

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。

//hellopipe.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.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;
}

二、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

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：

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

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，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。

四、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

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; 
}

五、编写一个程序可以用来创建、删除内核对象，也可以挂接、

共享内存

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 
#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 = %ld\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(5s内)立即在当前终端执行 ./shmctl -v

六、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

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。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, {"*",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;
}

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; 
	} 
	// 要获取的消息类型 
	long type = atol(argv[1]); 
	// 获取 ipc 内核对象 
	int id = msgget(0x8888, 0); 
	// 如果错误就退出 
	ASSERT(msgget, id);
	Msg msg; 
	int res; 
	while(1) { 
	// 以非阻塞的方式接收类型为 type 的消息 
		res = msgrcv(id, &msg, sizeof(Person), type, IPC_NOWAIT);
		if (res < 0) { 
		// 如果消息接收完毕就退出，否则报错并退出 
			if (errno == ENOMSG) {
				printf("No message!\n");
				break;
			}
			else {
				ASSERT(msgrcv, res); 
			} 
		} 
	// 打印消息内容
		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

七、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

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; 
}

八、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 
#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。