实验三 进程间通信.doc

实验三 进程间通信一、实验目的Linux系统的进程通信机构 (IPC) 允许在任意进程间大批量地交换数据。本实验的目的是了解和熟悉Linux支持的消息通讯机制及信息量机制。二、实验学时2学时三、实验内容1. 编写程序实现进程的管道通信。用系统调用pipe( )建立一管道，二个子进程P1和P2分别向管道各写一句话： Child 1 is sending a message! Child 2 is sending a message!父进程从管道中读出二个来自子进程的信息并显示（要求先接收P1，后P2）。2.利用msgget( )、msgsnd( )、msgrcv( )、msgctl( )等系统调用编写两个程序client.c和server.c，分别用于消息的发送和接收。server建立一个key为75的消息队列，等待其它进程发来的消息。当遇到类型为1的消息，则作为结束信号，取消该队列，并退出server。server每接收到一个消息后显示一句“(server)received”。client使用key为75的消息队列，先后发送类型从10到1的消息，然后退出。最后一个消息，即是server端需要的结束信号。client每发送一条消息后显示一句“(client)sent”。四、实验要求阅读Linux系统的msg.c、sem.c和shm.c等源码文件，熟悉Linux的三种机制。五、实验步骤实验1：（1）什么是管道UNIX系统在OS的发展上，最重要的贡献之一便是该系统首创了管道（pipe）。这也是UNIX系统的一大特色。所谓管道，是指能够连接一个写进程和一个读进程的、并允许它们以生产者消费者方式进行通信的一个共享文件，又称为pipe文件。由写进程从管道的写入端（句柄1）将数据写入管道，而读进程则从管道的读出端（句柄0）读出数据。句柄fd0句柄fd1读出端写入端（2）管道的类型：1、有名管道一个可以在文件系统中长期存在的、具有路径名的文件。用系统调用mknod( )建立。它克服无名管道使用上的局限性，可让更多的进程也能利用管道进行通信。因而其它进程可以知道它的存在，并能利用路径名来访问该文件。对有名管道的访问方式与访问其他文件一样，需先用open( )打开。2、无名管道一个临时文件。利用pipe( )建立起来的无名文件（无路径名）。只用该系统调用所返回的文件描述符来标识该文件，故只有调用pipe( )的进程及其子孙进程才能识别此文件描述符，才能利用该文件（管道）进行通信。当这些进程不再使用此管道时，核心收回其索引结点。二种管道的读写方式是相同的，本实验只讲无名管道。3、pipe文件的建立分配磁盘和内存索引结点、为读进程分配文件表项、为写进程分配文件表项、分配用户文件描述符4、读/写进程互斥内核为地址设置一个读指针和一个写指针，按先进先出顺序读、写。为使读、写进程互斥地访问pipe文件，需使各进程互斥地访问pipe文件索引结点中的直接地址项。因此，每次进程在访问pipe文件前，都需检查该索引文件是否已被上锁。若是，进程便睡眠等待，否则，将其上锁，并进行读/写。操作结束后解锁，并唤醒因该索引结点上锁而睡眠的进程。（3）所涉及的系统调用1、pipe( )建立一无名管道。系统调用格式pipe(filedes)参数定义intpipe(filedes);int filedes2;其中，filedes1是写入端，filedes0是读出端。该函数使用头文件如下：#include #inlcude #include 2、read( )系统调用格式read(fd,buf,nbyte)功能：从fd所指示的文件中读出nbyte个字节的数据，并将它们送至由指针buf所指示的缓冲区中。如该文件被加锁，等待，直到锁打开为止。参数定义intread(fd,buf,nbyte);intfd;char *buf;unsignednbyte;3、write( )系统调用格式write(fd,buf,nbyte)功能：把nbyte个字节的数据，从buf所指向的缓冲区写到由fd所指向的文件中。如文件加锁，暂停写入，直至开锁。参数定义同read( )。（4）参考程序#include #include #include int pid1,pid2;main( )int fd2;char outpipe100,inpipe100;pipe(fd);/*创建一个管道*/while (pid1=fork( )=-1);if(pid1=0)lockf(fd1,1,0); /*互斥*/sprintf(outpipe,child 1 process is sending message!);/*把串放入数组outpipe中*/write(fd1,outpipe,50);/*向管道写长为50字节的串*/sleep(5);/*自我阻塞5秒*/lockf(fd1,0,0);exit(0);elsewhile(pid2=fork( )=-1);if(pid2=0)lockf(fd1,1,0);/*互斥*/sprintf(outpipe,child 2 process is sending message!);write(fd1,outpipe,50);sleep(5);lockf(fd1,0,0);exit(0);else wait(0);/*同步*/read(fd0,inpipe,50);/*从管道中读长为50字节的串*/printf(%s/n,inpipe);wait(0);read(fd0,inpipe,50);printf(%s/n,inpipe);exit(0);（5）请写出运行结果，分析原因并完成下述思考题。1、程序中的sleep(5)起什么作用？ 2、子进程1和2为什么也能对管道进行操作？实验2：(1)涉及到的系统调用：1、msgget( )系统调用格式int msgget(key_t key, int msgflg);功能：获取与某个键关联的消息队列标识。消息队列被建立的情况有两种： （1）如果键的值是IPC_PRIVATE。 （2）或者键的值不是IPC_PRIVATE，并且键所对应的消息队列不存在，同时标志中指定IPC_CREAT。参数定义key：消息队列关联的键。 msgflg：消息队列的建立标志和存取权限。返回说明： 成功执行时，返回消息队列标识值。失败返回-1，errno被设为以下的某个值：EACCES：指定的消息队列已存在，但调用进程没有权限访问它，而且不拥有CAP_IPC_OWNER权限 EEXIST：key指定的消息队列已存在，而msgflg中同时指定IPC_CREAT和IPC_EXCL标志 ENOENT：key指定的消息队列不存在同时msgflg中不指定IPC_CREAT标志 ENOMEM：需要建立消息队列，但内存不足 ENOSPC：需要建立消息队列，但已达到系统的限制该函数使用头文件如下：#include #include #include 2、msgsnd( )和msgrcv( )系统调用格式int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);功能：在消息队列上进行收发消息。为了发送消息，调用进程对消息队列必须有写权限。接收消息时必须有读权限。参数定义msqid：消息队列的识别码。msgp：指向消息缓冲区的指针，此位置用来暂时存储发送和接收的消息，是一个用户可定义的通用结构，形态如下struct msgbuf long mtype; /* 消息类型，必须 0 */ char mtext100; /* 消息文本 */;msgsz：消息的大小。msgtyp：从消息队列内读取的消息形态。如果值为零，则表示消息队列中的所有消息都会被读取。msgflg：用来指明核心程序在队列没有数据的情况下所应采取的行动。如果msgflg和常数IPC_NOWAIT合用，则在msgsnd()执行时若是消息队列已满，则msgsnd()将不会阻塞，而会立即返回-1，如果执行的是msgrcv()，则在消息队列呈空时，不做等待马上返回-1，并设定错误码为ENOMSG。当msgflg为0时，msgsnd()及msgrcv()在队列呈满或呈空的情形时，采取阻塞等待的处理模式。该函数使用头文件如下：#include #include #include 返回说明：成功执行时，msgsnd()返回0，msgrcv()返回拷贝到mtext数组的实际字节数。失败两者都返回-1，errno被设为以下的某个值：对于msgsnd EACCES：调用进程在消息队列上没有写权限，同时没有CAP_IPC_OWNER权限EAGAIN：由于消息队列的msg_qbytes的限制和msgflg中指定IPC_NOWAIT标志，消息不能被发送EFAULT：msgp指针指向的内存空间不可访问EIDRM：消息队列已被删除EINTR：等待消息队列空间可用时被信号中断EINVAL：参数无效ENOMEM：系统内存不足，无法将msgp指向的消息拷贝进来对于msgrcvE2BIG：消息文本长度大于msgsz，并且msgflg中没有指定MSG_NOERROREACCES：调用进程没有读权限，同时没具有CAP_IPC_OWNER权限EAGAIN：消息队列为空，并且msgflg中没有指定IPC_NOWAITEFAULT：msgp指向的空间不可访问EIDRM：当进程睡眠等待接收消息时，消息已被删除EINTR：当进程睡眠等待接收消息时，被信号中断EINVAL：参数无效ENOMSG：msgflg中指定了IPC_NOWAIT，同时所请求类型的消息不存在3、msgctl( )系统调用格式int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);功能：在指定的消息队列上执行某种控制操作。参数定义msqid：消息队列识别码。cmd：操作命令，可能值在下面给出：IPC_STAT：将msqid所指定的消息队列的信息拷贝一份到buf指针所指向的地址。调用者必须对消息队列有读权限。IPC_SET：将由buf所指向的msqid_ds结构的一些成员写入到与这个消息队列关联的内核结构。同时更新的字段有msg_ctime。结构体的以下成员会被更新：msg_qbytes，msg_perm.uid，msg_perm.gid和msg_perm.mode的低九位。调用进程的有效标识必须匹配消息队列属主(msg_perm.uid)或建立者(msg_perm.uid)，或者调用者必须拥有相关的特权(如Linux下的CAP_IPC_RESOURCE)。IPC_RMID：删除指定的消息队列，唤醒所有等待中的读者和写者进程。IPC_INFO：(Linux特有命令)获取系统范围内消息队列的制约和其它参数，并储存在buf指向的结构。这一操作需要将msginfo类型造型成msqid_ds，msginfo定义于，下面列出它的原型：struct msginfo int msgpool; /* 用于保存消息数据的缓冲池大小，字节为单位，尚未被使用 */ int msgmap; /* 消息映射中的最大入口，尚未被使用 */ int msgmax; /* 能够写入单个消息的最大字节数 */ int msgmnb; /* 能够写入消息队列的最大字节数; 队列建立期间用于初始化msg_qbytes字段 */ int msgmni; /* 系统允许的最大消息队列数 */ int msgssz; /* 消息段大小，尚未被使用 */ int msgtql; /* 队列上能够存放的最大消息数，尚未被使用 */ unsigned short int msgseg; /* 消息可用的最大段数，尚未被使用 */;MSG_INFO：(Linux特有命令)返回和IPC_INFO命令相同的信息。除了下面字段用消息队列耗费的系统资源信息填充外：msgpool字段包含有当前系统存在的消息数。msgmap字段包含有系统范围内所有队列的消息总量。msgtql字段包含有系统范围所有消息的总字节数。MSG_STAT：(Linux特有命令)返回和IPC_STAT命令相同的信息。区别在于msqid参数并非队列标识，而是内核内部存放所有消息队列信息数组的索引。buf：用于描述某个消息队列的元数据，下面给出它的原型：struct msqid_ds struct ipc_perm msg_perm; /* 队列的属主和权限 */ time_t msg_stime; /* 最后一次msgsnd()操作的时间 */ time_t msg_rtime; /* 最后一次msgrcv()操作的时间 */ time_t msg_ctime; /* 最后一次队列改变的时间 */ unsigned long _msg_cbytes; /* 当前队列上包含的字节数 */ msgqnum_t msg_qnum; /* 当前队列上包含的消息数 */ msglen_t msg_qbytes; /* 队列上允许的最大字节数 */ pid_t msg_lspid; /* 最后一次执行msgsnd()的进程标识 */ pid_t msg_lrpid; /* 最后一次执行msgrcv()的进程标识 */;ipc_perm结构定义在，原型如下：struct ipc_perm key_t key; /* 提供给msgget()的键 */ uid_t uid; /* 属主的有效UID */ gid_t gid; /* 属主的有效GID */ uid_t cuid; /* 建立者的有效UID */ gid_t cgid; /* 建立者的有效GID */ unsigned short mode; /* 权限位 */ unsigned short seq; /* 系列号 */;该函数使用头文件如下：#include #include #include 返回说明： 成功执行时，IPC_STAT，IPC_SET和IPC_RMID返回0。IPC_INFO 或 MSG_INFO返回内核内部记录所有消息队列信息数组的最高可用入口索引。MSG_STAT返回队列标识。失败返回-1，errno被设为以下的某个值： EACCES：权限不足 EFAULT：buf所指向的空间不可访问EIDRM：消息队列已被删除EINVAL：参数无效EPERM：操作不允许server.c参考程序如下：#include #include #include #include #include #define MSGKEY 75struct msgform long mtype; char mtext1000;msg;int msgqid;void server() msgqid=msgget(MSGKEY,0777|IPC_CREAT); /*创建75#消息队列*/ do msgrcv(msgqid,&msg,1030,0,0); /*接收消息*/ printf(server)receivedn); while(msg.mtype!=1); msgctl(msgqid,IPC_RMID,0); /*删除消息队列，归还资源*/ exit(0);main() server();client.c参考程序如下：#include #include #include #include #include #define MSGKEY 75struct msgform long mtype; char mtext1000;msg;int msgqid;void client() int i; msgqid=msgget(MSGKEY,0777); /*打开75#消息队列*/ for(i=10;i=1;i-) msg.mtype=i; printf(client)sentn); msgsnd(msgqid,&msg,1024,0); /*发送消息*/ exit(0);main() client();将上述两个程序分别编译为server和client，并按以下方式执行：./server &ipcs q./clientClient和server分别发送和接收了10条消息。观察运行结果，注意发送方发送消息和接收方接收消息的顺序。*实验3：并发进程间通过共享存储区实现数据传送参考程序：#include #include #include #define SHMKEY 75int shmid,i,p1,p2;int *addr;void CLIENT()/*发送过程*/ int i; shmid=shmget(SHMKEY,1024,0777);/* 打开共享存储区*/ addr= (int *)shmat(shmid,0,0); /*获取共享存储区的首地址*/ for (i=29;i=0;i-) while (*addr!=-1);/*判断是否可写*/ *addr=i;/*写数据*/ printf(%d,*addr); printf(client)sentn); exit(0);void SERVER()/*接收进程*/ int i;shmid=shmget(SHMKEY,1024,0777|IPC_CREAT); /*创建共享存储区*/ addr= (int *)shmat(shmid,0,0); do *addr=-1; while (*addr=-1);/*判断信息是否传来*/ printf(%d,*addr+30); /*读，并加工数据*/ printf(server)receivedn); while(*addr); shmctl(shmid,IPC_RMID,0); /*撤消共享存储区，归还资源*/ exit(0);main() while (p1=fork()=-1);/*父进程*/ if (p1=0) SERVER();/*子进程p1*/ while (p2=fork()=-1); /*父进程*/ if (p2=0) CLIENT();/*子进程p2*/ wait(0); /*父进程*/ wait(0); /*父进程*/程序说明：用主程序作为“引子”，先后fork()两个子进程，SERVER和CLIENT，让它们利用共享存储区的方式进行通信：CLIENT端获取一个KEY为75的共享区，当共享区第一个字节的值为-1时，表示SERVER端空闲。这时CLIENT向共享区中填入要发送的数据，同时显示自己发送的数据，然后显示一句“(client)sent”。SERVER端获取(如果还没有就创建)一个KEY为75的共享存储区，并将第一个字节置为-1，作为数据空的标志，等待其他进程发来的消息。当该字节的值发生变化时，表示收到了信息，SERVER取得该数据，进行处理，然后将处理结果显示出来，再显示一句“(server)received”。发送和接收的过程循环进行30次。父进程在SERVER和CLIENT均退出后结束。涉及到的系统调用：1、shmget( )用于创建（或者获取）一个由key键值指定的共享内存对象，返回该对象的系统标识符：shmid；系统调用格式：shmid=shmget(key,size,flag)该函数使用头文件如下：#include#include#include参数定义 int shmget(key,size,flag); key_t key; int size,flag;其中，key是共享存储区的名字；size是其大小（以字节计）；flag是用户设置的标志，如IPC_CREAT。IPC_CREAT表示若系统中尚无指名的共享存储区，则由核心建立一个共享存储区；若系统中已有共享存储区，便忽略IPC_CREAT。2、shmat( )共享存储区的附接。从逻辑上将一个共享存储区附接到进程的虚拟地址空间上。用于建立调用进程与由标识符shmid指定的共享内存对象之间的连接。系统调用格式：virtaddr=shmat(shmid,addr,flag)该函数使用头文件如下：#include#include#include参数定义 char *shmat(shmid,addr,flag); int shmid; /*SHM标识符*/ char *addr; /*相当于偏移量*/ int flag; /*标志*/其中，shmid是共享存储区的标识符；addr是用户给定的，将共享存储区附接到进程的虚地址空间；flag规定共享存储区的读、写权限，以及系统是否应对用户规定的地址做舍入操作。其值为SHM_RDONLY时，表示只能读；其值为0时，表示可读、可写；其值为SHM_RND（取整）时，表示操作系统在必要时舍去这个地址。该系统调用的作用是将共享内存附接到进程的数据段上。实际上是将共享内存在主存中的地址+addr后赋值给进程中的某一指针。addr相当于偏移量,相对于共享内存在主存中的