实验八进程间通信

2024-02-10 15:14:58

进程间通信

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。

代码如下：

#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

通过命令 mkfifo 创建管道

man mkfifo

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。

代码如下：

// 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：

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。

代码如下：

// 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 \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。

代码如下：

// 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 \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）。

代码如下：

// 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 （注意手速，5秒内要搞定）。

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：

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。

代码如下：

// 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;

}

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：

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

例题：信号量操作示例

代码如下：

// 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 。

代码：

#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。

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进程间通信

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