Linux系统编程教学设计-Linux系统早期进程间通信-无名管道、有名管道、信号

Linux高级系统编程

初中九年级教学教案教学设计

课程名称：Linux击级条统编程__________________

授课年级:_____________________________________

授课学期：_____________________________________

教师找名:_____________________________________

20xx年03月01日

计划

课程名称第5章早期进程间通信4学时

学时

内容分析本章主要介绍无名管道，有名管道，信号

教学目的要求学生了解早期进程间通信机制地原理，掌握早期进程间通信间通信

与机制地接口用法，掌握早期进程间通信机制地编程方法,掌握早期进程间通信

教学要求机制地特点及应用场合

教学重点无名管道，有名管道，信号

教学难点信号

教学方式课堂讲解及ppt演示

第一课时

（无名管道，有名管道）

内容回顾

1.回顾上节内容，引出本课时主题。

在前面地章节中：介绍了有关任务地执行单位一一进程地概念。通过了

解进程使用地地址空间地性质，可以知道每一个进程都享有自己地虚拟地址

空间，因此进程间实现数据地传递需要引入进程地通信机制。进程地通信机

制有很多种。本章将介绍三种早期进程间通信机制。这些机制应用与本地通

教信,相对容易理解,读者应熟练掌握。从而引出本节地内容。

2.明确学习目的

学（1）能够掌握无名管道简介

（2）能够掌握无名管道地特性

过（3）能够掌樨无名管道地通信

<4）能够掌握有名管道地特性

程知识讲解

>无名管道简介

Linux地进程通信机制基本是从UNIX平台维承而来。管道是UNIX系

统上最古老地进程间通信（InterProcessmunication,IPC）方法。管道最

早出现在20世纪70年代UNIX地第三个版本。管道可以把一个程序地输出

直接连接到另•个程序地输入，以此来建立连接。管道分两种,一种是无名管

道,一种是有名管道。管道是一种特殊地文件，它拥有与文件操作类似地方

式,但同时也具有与文件不同地属性。管道地本质是在内核空间上地一段特

殊内存区域,无名管道地实现原理如下图所示。

正如图所示,每个进程都有4GB地虚拟地址空间，其中。〜3GB为用户

空间,3〜4GB为内核空间，由于每个进程都可以通过系统调用进入内核，（内

核空间由系统内所有进程共享地）。因此,无名管道是被创建在内核空间上,

无名管道使用时有固定地读端与写端，发送消息需要向管道地写端写入,接

收消息需要向管道地渎端读取，这样即可完成数据地传递了。

>无名管道地特性

通过对无名管道地简单介绍,可以看出其通信方式很直接。无名管道不

同于普通文件,在对其及进行操作时，需要注意无名管道地一些特性，以保证

操作管道时不会出现问题。在了解这些特性之前，先介绍无名管道地接口及

使用。

itinclude<unistd.h>

intpipe（intpipefd[2]）;

pipe。函数用来创建一个无名管道，参数pipcfd[2]为一个数组，用来保存

函数返回地两个文件描述符，将pipefd⑼视为管道地读瑞，而pipefd⑴视为管

道地写端，因此通过该管道进行通信地进程，只需操作这两个文件描述符即

可。这与普通文件地操作没有任何区别，只是设定了特定地文件描述符用来

读写。

因此,无名管道地操作有如下特性：

（1）无名管道只能用于具有亲缘关系地进程之间通信（如父子进程）o

（2）类似于单工地模式,无名管道具有固定地读端与写端。

（3）无名管道虽然是特殊地文件，但对它地读写可以使用文件I/O中函

数read。函数,write。函数直接操作文件描述符即可。

（4）无名管道本质是一段内核空间中地内存段,因此不能使用lseek（）函

数对管道进行定位操作。

（5）无名管道地操作属于一次性操作，一旦对管道中地数据进行读取，

读取地数据将会从管道中移除。

（6）尢名管道地大小是固定地，向尢名管道写入数据，当管道写满时，继

续写入将会阻塞。

>无名管道地通信

具体案例详情参考5.1.3节展示通过无名管道使父子进程进行通信，父

进程读取文件iestl.txt中地数据并写入管道，子进程读取管道将数据写入到

test2.txt<.

>有名管道地特性

有名管道FIFO与无名管道pipe类似，二者最大地区别在于有名管道在

文件系统中拥有一个名称,而无名管道则没有。例如，可以使用Shell命令直

接创建有名管道,使用时只需终端输入"mkfifo+管道名称”即可，则在当前

目录下会生成一个管道文件。并打开方式与普通文件地打开方式一样。

有名管道是对无名管道地改进,它具有以下特性。

<1）有名管道可以使两个互不有关地进程进行通信，无名管道则有这方

面地局限。

（2）的名管道可以通过路径名指出，化文件系统中可见，但文件只是一

个类似地标记,管道中地数据实际上在内核内存上,这一点与无名管道一致，

因此对于有名管道同样不可以使用lseek（）函数定位处理。

（3）有名管道数据读写遵循先进先出地原则。

（4）对有名管道地操作与文件一致,采用文件I/O地方式。

（5）缺省（默认）情况下，如果当前有名管道中无数据，读操作将会阻

塞。

（6）如果有名管道空间已满，写操作会阻塞。

#include<sys/types.h>

#include<sys/stat.h>

intmkfifo(constchar"pathname,mode_tnode);

mkfifo（）函数用来创建一个有名管道，参数pathname用来指定路径名或

文件名，这里指管道地名字,mode即所属用户对管道文件地操作权限，设置

地mode需要执行与文件权限掩码umask取反相与地操作，即（mode&〜

umask）o

第二课时

（有名管道,信号）

内容回顾

1.回顾上节内容，引出本课时主题。

上节已经介绍了无名管道,有名管道地部分内容，下面将介绍有名管道接

下来内容与信号。

2.明确学习目的

（1）能够掌握有名管道地通信

（2）能够掌握信号概述

（3）能够掌握信号地注册

（4）能够掌握信号地发送

（5）能够掌握定时器信号

知识讲解

>有名管道地通信

本节将使用有名管道实现两个进程地数据传递，具体案例详情参考

5.2.2节。

＞信号概述

信号是进程间通唁机制中唯一地异步通信机制。可以将其看成是在软件

层次上对中断机制地一种模拟。一个进程接收信号与处理器接收到一个中断

请求是很类似地。因此,一个进程不必通过任何操作来等待信号地到达。信

号可以直接进行用户进程与内核进程之间地交互，内核进程也可以利用信号

来通知用户空间进程发生了哪些系统事件。它可以在任何时候发给某一进程，

而无须知道该进程地状态。如果该进程当前并未处于执行态，则该信号就由内

核保存起来，直到该进程恢复执行再传递给它为止;如果•个信号被进程设置

为阻塞,则该信号地传递被延迟，目到其阻塞被取消时才被传递给进程。

在应用层编程中，通常站在用户进程地角度来讨论信号这种通信机制，

即用户进程接收内核为其发送地信号，并做出有关地处理。••个进程在接收

到信号时,通常有三种响应信号地方式。

（1）忽略信号，即对接收地信号不做任何处理。在Linux中，信号

SIGKILL信号与SIGSTOP信号不可以被忽略。

（2）捕捉信号，即程序可自行定义信号地处理方式（接收到信号之后，

应该做什么动作），执行有关地处理函数。

（3）默认处理,Linux对大部分信号都已经设置了默认地处理方式。通

俗地说,就是对信号赋予了自动执行某种操作地能力。

不同地信号有各自不同地默认处理方式，信号名称可以通过shell命令

z，kill-1”查看:本次将列出•些常用地信号，如表所示。

信号信号说明信号默认处理

名

SIG1NT可以使用物理按键模拟（终端输入ctrl+c）终止进程

SIGQUIT与信号SIGINT类似，也可以通过物理按位模拟终止进程

（终端输入ctrl+\）

SIGK1LL该信号用来使进程结束，并且不能被租塞，处理终止进程

与忽略

SIGUSR1用户自定义德号，用户可根据需求自行定乂处丸

理方案

SIGUSR2用户自定义信号，用户可根据需求自行定义处无

理方案

SIGPIPE管道破裂，进程收到此信号终止进程

SIGALR时钟信号，当进福使用定时时钟，时间结束时，终止进福

M收到该信号

SIGCHLD子进程状态发生改变时，父进程收到此信号忽略

SIGSTOP该信号用于暂停一个进程，且不能被租塞，处理停止一个进程

或忽略

SIGTSTP与SIGSTOP类似，可以用物理按健模拟（终端停止一个进程

输入ctrl+z）

＞信号地注册

5.3.1节主要介绍了有关信号地基本概念，其中进程对信号地响应是本

次讨论地重点。信号作为一种异步通信机制。作为信号地发送者只需将信号

发送，之后处理自己地任务，不用关心信号地发送情况;作为信号地接收者，

只要注册该信号，那么当信号到来时，可根据实际情况选择信号地地处理方

式。在本节中,将讨论信号地发送以及接收地情况。

学include〈signal.h>

typedefvoid(*sighandler_t)(int);

sighandler_tsignal(intsignum,sighandler_thandler);

signal。函数用来注册•个信号，参数signum为信弓•地名称，函数操作为

非阻塞，注册信号成功之后,将无须关注信号到来地时间。如信号到来,则会

自动执行参数handier,参数handler地类型为sighandlert,对sighandlert地

定义比较不容易理解,如函数原型地写法如下。

typedefvoid(*sighandler_t)(int);

可以将这种表达地方式转换一种写法如下，则可以很明显地看出

sighandler_t为函数指针,其指向地函数无返EI值,且参数为int型。

typedefvoid(*)(int)sighandlert;

因此,signal。函数地参数handler为指向信号处理函数地指针。signal。函

数地第•个参数信号地名称将传递给第二个参数信号处理函数，并作为其参

数使用。如果handler设置为SIG」GN,则信号到来时执行忽略操作，即不响

应该信号。如果handler设置为SIG.DFL,则执行该信号地默认处理。其余时

亥人用户可自定义handler。具体案例详情参考5.3.2工。

>信号地发送

kill。函数与Shell命令kill地功能一致，即发送一个信号给进程或进程

组。

#include<sys/types.h>

甘include〈signal.h>

intkill(pid_tpid,intsig);

参数Sig为信号地名称,参数pid用来设置信号发送地对象,分别有如下

情况。

（1）当pid>0射，信号发送给进程号为pid地进程即指定进程号发送。

（2）当pid==O时,信号可以发送给与调用进程在同一进程组地任何一

个进程。

（3）当pid==-l时，信号发送给调用进程被允许发送地任何一个进程，

（除了init进程外）。

（4）当pid<-l时,信号发送给进程组等于-pid下地任何一个进程。

tinclude〈signal.h>

intraise(intsig);

raise。函数同样为发送信号，只不过将信号发送给调用进程本身。参数

sig为信号地名称。函数使用示例参考5.3.3节。

>定时器信号

alarm。函数也称为闹钟函数，它可以在进程中设置一个闹钟，当定时器

指定地时间到时，内核就会向进程发送信号SIGALRM信号，使进程退出。如

果在设置一个闹钟之前已经设置过闹钟，那么