共享内存和信号量进程间通信

1、实验7 共享内存和信号量（进程间通信）邢卫 2008-11-26修订实验目的学习并掌握Linux系统中的进程间通信机制，包括共享内存和信号量。实验内容1. 学习共享内存相关的系统调用shmget(), shmat(), shmdt, shmctl()2. 学习信号量（semaphore）相关的系统调用semget(), semop(), semctl()3. 学习信号（signal）相关的系统调用signal(), atexit()等4. 完成边干边学第6.4.1节的实验程序的编辑、编译、运行操作5. 分析、学习实验程序的工作过程和原理6. 选做：学习边干边学第6章，结合使用联机手册（可以从m

2、an 2 ipc命令开始），编程练习各种进程间通信机制实验步骤1以stu帐号登录2编辑reader_writer1.c程序注意：在193页delete（）函数中，注意改成if (mysemctl(Semid, 0, IPC_RMID, (union semun)0) = -1) 限于实验的时间，该文件已预先存放在/home/stu/.kernel/lab6目录下，可以直接使用。但每位同学务必通读并理解该程序。登录后，使用 cd .kernel/lab6 命令进入该文件所在目录，继续以下实验步骤。3编译 gcc reader_writer1.c -o reader_writer14运行 ./re

3、ader_writer1注意记录下共享内存的id号5使用 Alt+F2切换到第2个登录窗口，再次以stu帐号登录可以使用who命令查看验证此时有两个stu用户已登录可以使用ps l命令查看这两个stu用户的进程6在第2个stu用户窗口中，输入 ./reader_writer1 共享内存的id号注意：此时，第2个stu用户窗口中的进程担当writer角色，第1个stu用户窗口中的进程担当reader角色。7在第2个窗口中，多次输入信息；使用Alt+F1和Alt+F2在两个窗口间切换，观察你对writer的输入，writer已经通过共享内存传递给了reader。8此时，你还可以使用Alt+F3切换

4、到第3个登录窗口，并以stu帐号登录可以使用who命令验证有3个stu用户登录；可以经常性使用ps l命令来查看另外两个窗口中的进程的状态9切换到writer窗口（第2个窗口），通过对writer的问题回答“2”，退出writer。切换到reader窗口（第1个窗口），通过Ctrl+C终止reader进程。思考题1. 同样的源程序，reader和writer进程是怎样各自找到自己的定位的？2. reader和writer是怎样通过信号量（semphore）实现同步的？writer是如何得知这一对信号量的id的？3. 数据是如何从writer传递到reader的？4. writer是如何得知共享

5、内存的id的？5. 在reader中，是如何捕获Ctrl-C信号（signal）的？捕获后是如何处理的？6. 一般来说，在Linux中使用共享内存（shared memory）的流程应该怎样？使用哪些系统调用？7. 一般来说，在Linux中使用信号量（semaphore）的流程应该怎样？使用哪些系统调用？8. 这里的共享内存，和使用带CLONE_VM标志的clone（）系统调用创建的两个task之间共享的内存，有什么异同？参考资料l 边干边学（第1版）第6章，“共享内存”n 具体源程序和实验操作详见6.4.1节附录1共享内存的使用共享内存共有4个系统调用：shmget，shmat，shmdt，

6、shmctlint shmget(key_t key, int size, int shmflg);典型的创建共享内存的用法l shmid = shmget(key, size, IPC_CREAT | IPC_EXCL | mode);l shmid = shmget(IPC_PRIVATE, size, mode);void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);典型用法：l shmaddr = shmat(shmid, NULL, 0);int shmdt(const void *shmaddr);int shmctl(in

7、t shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);典型用法：l 取状态shmctl(shmid, IPC_STAT, &buf);l 删除shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);实例struct shmid_ds buf;shmid = shmget(key, size, flag);if (shmid = -1) / error handling .shmctl(shmid, IPC_STAT, &buf);/ 分析利用buf中的信息shmaddr = (char *)shmat(id, NULL, 0);if (shmadd

8、r = -1) / error handling .通过shmaddr使用共享内存的部分，如strcpy, sprintf, memcmp, 赋值操作，等等shmdt(shmaddr)；shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);附录2 实验原理说明本实验将建立一个利用共享内存来传递信息的程序，一个writer，一个reader，writer从用户处获得输入，然后将其写入共享内存，reader 从共享内存获取信息，然后再在屏幕上打印出来。利用共享内存在进程之间传递信息时，需要一种同步机制，必须有一种途径让reader知道什么时候writer已经把信息放入了共享内存。最简单的方法

9、，是在某处设置一个字节，当writer的数据写入完毕后，即把该字节设置为1。但是这也意味着reader 必须不停地测试这个字节，直到该字节改变为止，这是非常浪费的。同样，对于writer 来说，也必须有一种途径知道什么时候reader 已经取走了共享内存的数据，从而可以向共享内存写入新的数据。因此，我们考虑用信号量（semaphore）来解决这个程序对于共享内存进行操作的同步问题，关于信号量的编程，请参考Linux man手册。目前这个程序只支持两个进程，一个reader，一个writer。在稍后的时候，我们将改进这个程序使得其能够支持任意数目的进程。在这个程序中，我们使用两个信号量，一个用于

10、读（SN_READ），一个用于写（SN_WRITE）。SN_READ初始化为1，SN_WRITE初始化为0。即SN_READ这个信号量在最初的时候就是被锁住的，而SN_WRITE这个信号量则不是。writer在往共享内存里写信息时，首先要锁定SN_WRITE信号量。在写完之后，释放SN_READ信号量，使得reader可以读取该信息；锁定SN_WRITE这个信号量，是为了防止writer 多次打印共享内存中的信息。reader读取共享内存的信息时，相应地要先锁定SN_READ这个信号量，读取信息后，释放SN_WRITE这个信号量，使得writer又可以往共享内存里面写入信息。程序源代码参见re

11、ader_writer1.c。编译：gcc reader_writer1.c o reader_writer1在此之后，即可启动reader。实验中必须先启动reader，因为使用的信号量、共享内存都是在reader中申请的。在命令行输入：./reader_writer1运行结果为：reader begin to run，and the id of share memory is 229376 wait for the writers output information.然后再启动writer，带的参数为reader 申请的共享内存的标识符。在命令行输入：./reader_writer1 2

12、29376运行结果为：writer begin to run，the id of share memory is 229376, semaphore id is 196608menu1.send a message2.quitinput your choice（1-2）:1wait for reader to read in information.finishplease input information:在提示后面输入：hello, reader随即，reader 那边将打印这条信息。然后循环往复。不再累赘。关于退出：writer 可以通过菜单退出，reader 可以在writer 退出

13、后，按Ctrl+C退出，退出reader时，它将自动删除最初申请信号量。附录3 reader_write1.c源程序/* reader_writer1.c communicate through shared memory */#include <stdio.h>#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/sem.h>#include <sys/shm.h>#include <stdlib.h>#include <errno.h>#includ

14、e <string.h>#include <signal.h>/* The union for semctl may or may not be defined for us.This code,defined in linux's semctl() manpage,is the proper way to attain it if necessary */#if defined (_GNU_LIBRARY_)&& !defined (_SEM_SEMUN_UNDEFINED)/* union semun is defined by includ

15、ing <sys/sem.h> */#else/* according to X/OPEN we have to define it ourselves */union semunint val;/* value for SETVAL */struct semid_ds *buf;/* buffer for IPC_STAT,IPC_SET */unsigned short int *array;/* array for GETALL,SETALL */struct seminfo *_buf;/* buffer for IPC_INFO */;#endif#define SHMD

16、ATASIZE 1000#define BUFFERSIZE (SHMDATASIZE - sizeof(int)#define SN_READ 0#define SN_WRITE1int Semid = 0;void reader(void);void writer(int shmid);void delete(void);void sigdelete(int signum);void locksem(int semid,int semnum);void unlocksem(int semid,int semnum);void waitzero(int semid,int semnum);v

17、oid write(int shmid,int semid,char *buffer);int mysemget(key_t key,int nsems,int semflg);int mysemctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun arg);int mysemop(int semid,struct sembuf *sops,unsigned nsops);int myshmget(key_t key,int size,int shmflg);void *myshmat(int shmid,const void *shmaddr,int sh

18、mflg);int myshmctl(int shmid,int cmd,struct shmid_ds *buf);int main(int argc,char *argv)/* no command line parameter, a reader */if(argc < 2)reader();elsewriter(atoi(argv1);return 0;void reader(void)union semun sunion;int semid,shmid;void *shmdata;char *buffer;/* first, create a semaphore */semid

19、 = mysemget(IPC_PRIVATE,2,SHM_R|SHM_W);Semid = semid;/* at exit, delete the semaphore */atexit(&delete);signal(SIGINT,&sigdelete);/* */sunion.val = 1;mysemctl(semid,SN_READ,SETVAL,sunion);sunion.val = 0;mysemctl(semid,SN_WRITE,SETVAL,sunion);/* create a shared memory */shmid = myshmget(IPC_P

20、RIVATE,SHMDATASIZE,IPC_CREAT|SHM_R|SHM_W);/* map the shared memory into the process' virtual memory */shmdata = shmat(shmid,0,0);/* mark the shared memory as "destroyed", and leave it to be destroyed automatically */shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);/* */*(int *)shmdata = semid;buffer = shmd

21、ata + sizeof(int);printf("n reader begin to run，and the id of share memory is %d * n",shmid);/*reader's main loop*/while(1)printf(" n wait for the writer's output information .");fflush(stdout);locksem(semid,SN_WRITE);printf(" finish n");printf(" received i

22、nformation: %s n",buffer);unlocksem(semid,SN_READ);void writer(int shmid)int semid;void *shmdata;char *buffer;/* map the shared memory into process' virtual memory */shmdata = myshmat(shmid,0,0);semid = *(int *)shmdata;buffer = shmdata + sizeof(int);printf(" n writer begin to run，the i

23、d of share memory is %d, the semaphore is %d n",shmid,semid);/*writer's main loop*/while(1)char input3;printf("n menu n 1.send a message n");printf(" 2.quit n");printf("input your choice（1-2）:");fgets(input,sizeof(input),stdin);switch(input0)case '1':wr

24、ite(shmid,semid,buffer);break;case '2':exit(0);break;void delete(void)printf("n quit; delete the semaphore %d n",Semid);/* delete the semaphore */if(mysemctl(Semid,0,IPC_RMID,(union semun)0) = -1)printf("Error releasing semaphore.n");void sigdelete(int signum)/* Calling e

25、xit will conveniently trigger the normal delete item. */exit(0);void locksem(int semid,int semnum)struct sembuf sb;sb.sem_num = semnum;sb.sem_op = -1;sb.sem_flg = SEM_UNDO;mysemop(semid,&sb,1);void unlocksem(int semid,int semnum)struct sembuf sb;sb.sem_num = semnum;sb.sem_op = 1;sb.sem_flg = SEM

26、_UNDO;mysemop(semid,&sb,1);void waitzero(int semid,int semnum)struct sembuf sb;sb.sem_num = semnum;sb.sem_op = 0;sb.sem_flg = 0;/* No modification so no need to undo */mysemop(semid,&sb,1);void write(int shmid,int semid,char *buffer)printf("n wait for reader to read in information .&quo

27、t;);fflush(stdout);locksem(semid,SN_READ);printf("finish n");printf("please input information: ");fgets(buffer,BUFFERSIZE,stdin);unlocksem(semid,SN_WRITE);int mysemget(key_t key,int nsems,int semflg)int retval;retval = semget(key,nsems,semflg);if(retval = -1)printf("semget key %d,nsems %d failed: %s ",key,nsems,strerror(errno);exit(255);return retval;int mysemctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun arg)int retval;retval = semctl(semid,semnum,cmd,arg);if(retval = -1)printf("semctl semid %d,semnum %d,cmd %d failed: %s