实验八进程间通信

Posted 2021-06-13 ～～～～你好～～～～～～～～～～～

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学号-姓名	18043212-邓锐
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。

1.举例说明使用匿名管道进行进程通信。

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。
可以使用man 2 pipe 进入帮助手册。

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。


2.举例说明使用 mkfifo 命令创建命名管道以及简单演示管道如何工作。
命名管道
1.通过命令man mkfifo 创建管道

2.通过函数 man 3 mkfifo

当使用 mkfifo 创建 hello 文件后，查看文件信息如下使用 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：

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。



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:
// 在 0x8888 这个键上创建内核对象，权限为 0644，如果已经存在就返回错误。
int id = shmget(0x8888, 4096, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0644);
int id = msgget(0x8888, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0644);
int id = semget(0x8888, 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0644);
// 第二个参数表示创建几个信号量
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。



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。


5.编写一个程序可以用来创建、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。
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）。
先在另一个终端执行 ./shmctl -a ，然后(5s内)立即在当前终端执行 ./shmctl -v

 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; 
} 

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。



man 2 msgctl

5. 信号量
设置和获取信号量值的函数 semctl :
man 2 semctl

man 2 semop

例题：信号量操作 示例


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