2014025628《嵌入式系统程序设计》第七周学习总结

Posted 2020-09-22

本次实验首先学习了有名管道——FIFO

1.1有名管道的介绍

无名管道，由于没有名字，只能用于亲缘关系的进程间通信.。为了克服这个缺点，提出了有名管道(FIFO)。

FIFO不同于无名管道之处在于它提供了一个路径名与之关联，以FIFO的文件形式存在于文件系统中，这样，即使与FIFO的创建进程不存在亲缘关系的进程，只要可以访问该路径，就能够彼此通过FIFO相互通信，因此，通过FIFO不相关的进程也能交换数据。值的注意的是，FIFO严格遵循先进先出(first in first out),对管道及FIFO的读总是从开始处返回数据，对它们的写则把数据添加到末尾。它们不支持诸如lseek()等文件定位操作。

注意：有名管道的名字存在于文件系统中，内容存放在内存中。

1.2有名管道的打开规则

有名管道比无名管道多了一个打开操作：open

FIFO的打开规则:

如果当前打开操作时为读而打开FIFO时，若已经有相应进程为写而打开该FIFO，则当前打开操作将成功返回；否则，可能阻塞到有相应进程为写而打开该FIFO(当前打开操作设置了阻塞标志)；或者，成功返回(当前打开操作没有设置阻塞标志)。

如果当前打开操作时为写而打开FIFO时，如果已经有相应进程为读而打开该FIFO,则当前打开操作将成功返回；否则，可能阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO(当前打开操作设置了阻塞标志)；或者，返回ENIO错误(当期打开操作没有设置阻塞标志)。

 

 

1.3有名管道的读写规则

A.从FIFO中读取数据

约定：如果一个进程为了从FIFO中读取数据而以阻塞的方式打开FIFO， 则称内核为该进程的读操作设置了阻塞标志

<1>如果有进程为写而打开FIFO，且当前FIFO内没有数据，则对于设置了阻塞标志的读操作来说，将一直阻塞。对于没有设置阻塞标志读操作来说返回-1,当前errno值为EAGAIN,提醒以后再试。

<2>对于设置阻塞标志的读操作说，造成阻塞的原因有两种:当前FIFO内有数据，但有其他进程正在读这些数据；另外就是FIFO内没有数据。解阻塞的原因则是FIFO中有新的数据写入,不论写入数据量的大小，也不论读操作请求多少数据量。

<3>如果没有进程写打开FIFO,则设置了阻塞标志的读操作会阻塞

<4>如果写端关闭，管道中有数据读取管道中的数据，如果管道中没有数据读端将不会继续阻塞，此时返回0。

注意：如果FIFO中有数据，则设置了阻塞标志的读操作不会因为FIFO中的字节数小于请求读的字节数而阻塞，此时，读操作会返回FIFO中现有的数据量。

B.向FIFO中写入数据

约定：如果一个进程为了向FIFO中写入数据而阻塞打开FIFO,那么称该进程内的写操作设置了阻塞标志。

对于设置了阻塞标志的写操作:

<1>当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，linux将保证写入的原子性。如果此时管道空闲缓冲区不足以容纳要写入的字节数，则进入睡眠，直到当缓冲区中能够容纳写入的字节数时，才开始进行一次性写操作。

<2>当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，Linux将不再保证写入的原子性。FIFO缓冲区一有空闲区域，写进程就会试图向管道写入数据，写操作在写完所有请求写的数据后返回。

对于没有设置阻塞标志的写操作:

<1>当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，linux将不再保证写入的原子性。在写满所有FIFO空闲缓冲区后，写操作返回。

<2>当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，linux将保证写入的原子性。如果当前FIFO空闲缓冲区能够容纳请求写入的字节数，写完后成功返回；如果当前FIFO空闲缓冲区不能够容纳请求写入的字节数，则返回EAGAIN错误，提醒以后再写。

注意：只有读端存在，写端才有意义。如果读端不在，写端向FIFO写数据，内核将向对应的进程发送SIGPIPE信号（默认终止进程）；

 

 

本次实验同时还学习了消息队列

消息队列函数由msgget、msgctl、msgsnd、msgrcv四个函数组成。下面的表格列出了这四个函数的函数原型及其具体说明。

1.   msgget函数原型

msgget(得到消息队列标识符或创建一个消息队列对象)
所需头文件	#include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/msg.h>
函数说明	得到消息队列标识符或创建一个消息队列对象并返回消息队列标识符
函数原型	int msgget(key_t key, int msgflg)
函数传入值	key	0(IPC_PRIVATE)：会建立新的消息队列
		大于0的32位整数：视参数msgflg来确定操作。通常要求此值来源于ftok返回的IPC键值
	msgflg	0：取消息队列标识符，若不存在则函数会报错
		IPC_CREAT：当msgflg&IPC_CREAT为真时，如果内核中不存在键值与key相等的消息队列，则新建一个消息队列；如果存在这样的消息队列，返回此消息队列的标识符
		IPC_CREAT|IPC_EXCL：如果内核中不存在键值与key相等的消息队列，则新建一个消息队列；如果存在这样的消息队列则报错
函数返回值	成功：返回消息队列的标识符
	出错：-1，错误原因存于error中
附加说明	上述msgflg参数为模式标志参数，使用时需要与IPC对象存取权限（如0600）进行|运算来确定消息队列的存取权限
错误代码	EACCES：指定的消息队列已存在，但调用进程没有权限访问它 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中没有指定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

如果用msgget创建了一个新的消息队列对象时，则msqid_ds结构成员变量的值设置如下：

?        msg_qnum、msg_lspid、msg_lrpid、 msg_stime、msg_rtime设置为0。

?        msg_ctime设置为当前时间。

?        msg_qbytes设成系统的限制值。

?        msgflg的读写权限写入msg_perm.mode中。

?        msg_perm结构的uid和cuid成员被设置成当前进程的有效用户ID，gid和cuid成员被设置成当前进程的有效组ID。

2.   msgctl函数原型

msgctl (获取和设置消息队列的属性)
所需头文件	#include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/msg.h>
函数说明	获取和设置消息队列的属性
函数原型	int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf)
函数传入值	msqid	消息队列标识符
	cmd	IPC_STAT:获得msgid的消息队列头数据到buf中
		IPC_SET：设置消息队列的属性，要设置的属性需先存储在buf中，可设置的属性包括：msg_perm.uid、msg_perm.gid、msg_perm.mode以及msg_qbytes
		buf：消息队列管理结构体，请参见消息队列内核结构说明部分
函数返回值	成功：0
	出错：-1，错误原因存于error中
错误代码	EACCESS：参数cmd为IPC_STAT，确无权限读取该消息队列 EFAULT：参数buf指向无效的内存地址 EIDRM：标识符为msqid的消息队列已被删除 EINVAL：无效的参数cmd或msqid EPERM：参数cmd为IPC_SET或IPC_RMID，却无足够的权限执行

3.   msgsnd函数原型

msgsnd (将消息写入到消息队列)
所需头文件	#include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/msg.h>
函数说明	将msgp消息写入到标识符为msqid的消息队列
函数原型	int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg)
函数传入值	msqid	消息队列标识符
	msgp	发送给队列的消息。msgp可以是任何类型的结构体，但第一个字段必须为long类型，即表明此发送消息的类型，msgrcv根据此接收消息。msgp定义的参照格式如下：     struct s_msg{ /*msgp定义的参照格式*/      long type; /* 必须大于0,消息类型 */            char mtext[256]; /*消息正文，可以是其他任何类型*/     } msgp;
	msgsz	要发送消息的大小，不含消息类型占用的4个字节,即mtext的长度
	msgflg	0：当消息队列满时，msgsnd将会阻塞，直到消息能写进消息队列
		IPC_NOWAIT：当消息队列已满的时候，msgsnd函数不等待立即返回
		IPC_NOERROR：若发送的消息大于size字节，则把该消息截断，截断部分将被丢弃，且不通知发送进程。
函数返回值	成功：0
	出错：-1，错误原因存于error中
错误代码	EAGAIN：参数msgflg设为IPC_NOWAIT，而消息队列已满 EIDRM：标识符为msqid的消息队列已被删除 EACCESS：无权限写入消息队列 EFAULT：参数msgp指向无效的内存地址 EINTR：队列已满而处于等待情况下被信号中断 EINVAL：无效的参数msqid、msgsz或参数消息类型type小于0

   msgsnd()为阻塞函数，当消息队列容量满或消息个数满会阻塞。消息队列已被删除，则返回EIDRM错误；被信号中断返回E_INTR错误。

 如果设置IPC_NOWAIT消息队列满或个数满时会返回-1，并且置EAGAIN错误。

msgsnd()解除阻塞的条件有以下三个条件：

①    不满足消息队列满或个数满两个条件，即消息队列中有容纳该消息的空间。

②    msqid代表的消息队列被删除。

③    调用msgsnd函数的进程被信号中断。

4.   msgrcv函数原型

msgrcv (从消息队列读取消息)
所需头文件	#include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/msg.h>
函数说明	从标识符为msqid的消息队列读取消息并存于msgp中，读取后把此消息从消息队列中删除
函数原型	ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,                       int msgflg);
函数传入值	msqid	消息队列标识符
	msgp	存放消息的结构体，结构体类型要与msgsnd函数发送的类型相同
	msgsz	要接收消息的大小，不含消息类型占用的4个字节
	msgtyp	0：接收第一个消息
		>0：接收类型等于msgtyp的第一个消息
		<0：接收类型等于或者小于msgtyp绝对值的第一个消息
	msgflg	0: 阻塞式接收消息，没有该类型的消息msgrcv函数一直阻塞等待
		IPC_NOWAIT：如果没有返回条件的消息调用立即返回，此时错误码为ENOMSG
		IPC_EXCEPT：与msgtype配合使用返回队列中第一个类型不为msgtype的消息
		IPC_NOERROR：如果队列中满足条件的消息内容大于所请求的size字节，则把该消息截断，截断部分将被丢弃
函数返回值	成功：实际读取到的消息数据长度
	出错：-1，错误原因存于error中
错误代码	E2BIG：消息数据长度大于msgsz而msgflag没有设置IPC_NOERROR EIDRM：标识符为msqid的消息队列已被删除 EACCESS：无权限读取该消息队列 EFAULT：参数msgp指向无效的内存地址 ENOMSG：参数msgflg设为IPC_NOWAIT，而消息队列中无消息可读 EINTR：等待读取队列内的消息情况下被信号中断

msgrcv()解除阻塞的条件有以下三个：

①    消息队列中有了满足条件的消息。

②    msqid代表的消息队列被删除。

③    调用msgrcv()的进程被信号中断。