实验八 进程间通信
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这个作业属于哪个课程 |
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这个作业的要求在哪里 |
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学号-姓名 |
17041430-杨太胜 |
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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 |
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：
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
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
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;
}
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; }
long type = atol(argv[1]);
int id = msgget(0x8888, 0);
ASSERT(msgget, id);
Msg msg;
int res;
while(1) {
res = msgrcv(id, &msg, sizeof(Person), type, IPC_NOWAIT);
if (res < 0) {
if (errno == ENOMSG) {
printf("No message!\n");
break;
}
else {
ASSERT(msgrcv, res);
}
}
printMsg(&msg);
}
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。