實驗三進程通信(一)

操作系統(tǒng)實驗報告實驗三、進程通信（一）——管道及共享內(nèi)存一、 實驗?zāi)康氖煜ず驼莆誏INUX系統(tǒng)的管道通信和共享內(nèi)存通信。二、 實驗內(nèi)容(一)、管道通信1、實驗原理：管道是半雙工的，數(shù)據(jù)只能向一個方向流動；需要雙方通信時，需要建立起兩個管道；單獨構(gòu)成一種獨立的文件系統(tǒng)：管道對于管道兩端的進程而言，就是一個文件，但它不是普通的文件，它不屬于某種文件系統(tǒng)，而是自立門戶，單獨構(gòu)成一種文件系統(tǒng)。數(shù)據(jù)的讀出和寫入：一個進程向管道中寫的內(nèi)容被管道另一端的進程讀出。利用系統(tǒng)調(diào)用pipe()可創(chuàng)建一個簡單的管道。intfd[2]；pipe(fd)；調(diào)用成功，fd[0]存放供讀進程使用的文件描述符（管道出口），fd[1]存放供寫程使用的文件描述符（管道入口）。一個進程在由pipe()創(chuàng)建管道后，一般再fork()一個子進程，然后通過管道實現(xiàn)父子進程間的通信，子進程將從父進程那里繼承所有打開的文件描述符。則父子兩個進程都能訪問組成管道的兩個文件描述符，這樣子進程可以向父進程發(fā)送消息（或者相反）。發(fā)送進程利用文件系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用write(fd[1],buf,size)，把buf中size個字符送入fd[1]，接收進程利用read(fd[0],buf,size)，把從fd[0]讀出的size個字符置入buf中。這樣管道按FIFO（先進先出）方式傳送信息。2、實驗內(nèi)容：#include<stdio.h>main(){intx,fd[2];charbuf[30],s[30];pipe(fd);while((x=fork())==-1);if(x==0){close(fd[0]);printf("ChildProcess!\n");strcpy(buf,"Thisisanexample\n");write(fd[1],buf,30);exit(0);}else{close(fd[1]);printf("ParentProcess!\n");read(fd[0],s,30);printf("%s\n",s);printf("xvalueinParentProcess:%d!\n",x);}}1）閱讀上述父子進程利用管道進行通信的例子，寫出程序的運行結(jié)果并分析。程序運行x=fork()后，創(chuàng)建里一個子進程，在子進程里 x的返回值為0，在父進程里x的返回值為7684，則子進程會執(zhí)行 if語句里的代碼段，先關(guān)閉了管道的讀入端，再在屏幕上輸出“ChildProcess!”，然后將“Thisisanexample\n”存入buf數(shù)組中，通過調(diào)用 write()函數(shù)將buf數(shù)組的內(nèi)容從管道的寫入端寫入，而父進程會執(zhí)行 else語句里的代碼段，先關(guān)閉了管道的寫入端，再在屏幕上輸出“ParentProcess!”，然后通過調(diào)用read()函數(shù)將buf數(shù)組的內(nèi)容從管道的讀入端讀入冰存儲在s數(shù)組里，接著通過printf()函數(shù)將s數(shù)組里的內(nèi)容輸出到屏幕上，最后在屏幕上輸出父進程中x的值。2）編寫程序：父進程利用管道將一字符串交給子進程處理。子進程讀字符串，將里面的字符反向后再交給父進程，父進程最后讀取并打印反向的字符串。#include<stdio.h>main(){inti,x,fd[2];charbuf[20],s[20],cpy[20],m[20];strcpy(buf,"Thisisanexample\n");pipe(fd);write(fd[1],buf,20);while((x=fork())==-1);if(x==0){printf("ChildProcess!\n");read(fd[0],s,20);for(i=0;i<20;i++){cpy[i]=s[19-i];}write(fd[1],cpy,20);exit(0);}else{close(fd[1]);printf("ParentProcess!\n");read(fd[0],m,20);printf("%s\n",m);}}(二)、共享內(nèi)存通信1、實驗原理：UNIXSystemVIPC軟件包分三個組成部分：共享存儲器(sharedmemory)方式可使得不同進程通過共享彼此的虛擬空間而達到互相對共享區(qū)操作和數(shù)據(jù)通信的目的。消息(message)用于進程之間傳遞分類的格式化數(shù)據(jù)。信號量(semaphore)機制用于通信進程之間往前推進時的同步控制。信號量總是和共享存儲器方式一起使用。操縱共享內(nèi)存共有4個系統(tǒng)調(diào)用：(1)shmget():建立一個新的共享區(qū)或返回一個已存在的共享存儲區(qū)描述字；intshmget(key_tkey,intsize,intshmflag);成功，返回共享內(nèi)存段的標識符；失敗，返回－1，設(shè)置errno。①第一個參數(shù)key（鍵值），預(yù)定義的數(shù)據(jù)類型key_t，其類型是長整型。用來創(chuàng)建IPC標識符，shmget()返回的標識符與key值一一對應(yīng)，不同的key值返回不同的標識符。②第二個參數(shù)size，決定了共享內(nèi)存段的大?。ㄈ粼L問已存在的內(nèi)存段，該參數(shù)可設(shè)為0）。有最大字節(jié)數(shù)的限制，0x2000000＝32M；③第三個參數(shù)shmflag，用于設(shè)置訪問權(quán)限及標識創(chuàng)建條件。#defineIPC_PRIVATE((key_t)0)#defineIPC_CREAT00001000（八進制）#defineIPC_EXCL00002000（八進制）key值為IPC_PRIVATE時，調(diào)用shmget()將生成一個新的共享內(nèi)存段。Shmflag為0666|IPC_CREAT時，如果key值是新的，返回新創(chuàng)建的內(nèi)存段標識符。若key值是舊的，返回已存在內(nèi)核中的具有相同關(guān)鍵字值的內(nèi)存段標識符。(2)shmat()：連接內(nèi)存段，映射到自己的地址空間中；intshmat(intshmid,void*shmaddr,intshmflag)；成功：返回該共享內(nèi)存段連接到調(diào)用進程地址空間上的地址（指針）錯誤：返回－1。第一個參數(shù)shmid，是一個有效的共享內(nèi)存標識符；第二個參數(shù)shmaddr，非0，該值作為掛接的地址，設(shè)為0，則由系統(tǒng)來選擇掛接地址；第三個參數(shù)shmflag，可指定掛接后的訪問權(quán)限，（默認情況0）。(3)shmdt()：當某個進程不需要一個共享內(nèi)存段時，調(diào)用該系統(tǒng)調(diào)用，斷開與該內(nèi)存段的連接。intshmdt(void*shmaddr)；成功：返回0；錯誤：返回－1。參數(shù)shmaddr指向一個已掛接的內(nèi)存段。(4)shmctl()：用戶對一個存在的共享內(nèi)存段進行一系列的操作；intshmctl(intshmid,intcmd,structshmid_ds*buf)；成功：返回0；錯誤：返回－1，設(shè)置errno。第一個參數(shù)shmid，前面shmget()調(diào)用返回的有效的共享內(nèi)存標識符；第二個參數(shù)cmd，指明shmctl將要執(zhí)行的操作；第三個參數(shù)buf，指向一個shmid_ds類的結(jié)構(gòu)。Cmd可執(zhí)行的操作：（這些也是在/usr/include/linux/ipc.h中定義的）IPC_STAT：返回由shmid值指定的存貯段shmid_ds結(jié)構(gòu)的當前值。IPC_SET：修改shmid_ds結(jié)構(gòu)中反問權(quán)限子結(jié)構(gòu)的若干成員IPC_RMID：刪除shmid指向的內(nèi)存段（并非真正刪除，只有當前連接到該內(nèi)存段的最后一個進程正確地斷開了與它的連接，實際的刪除操作才會發(fā)生） 。附：1、ipcs命令的作用:用于查看系統(tǒng)中共享存儲區(qū)，消息隊列和信號量的情況。2、ipcrm命令的作用：用于刪除系統(tǒng)中存在的共享存儲區(qū)， 消息隊列等。如：ipcrm -Mkey表示根據(jù)關(guān)鍵字刪除共享存儲區(qū)ipcrm-mid表示根據(jù)標識符刪除共享存儲區(qū)ipcrm-Qkey表示根據(jù)關(guān)鍵字刪除消息隊列ipcrm-qid表示根據(jù)標識符刪除消息隊列2、實驗內(nèi)容：（1）閱讀例2的程序，運行一次該程序，然后用ipcs命令查看系統(tǒng)中共享存儲區(qū)的情況，再次執(zhí)行該程序，再用ipcs命令查看系統(tǒng)中共享內(nèi)存的情況，對兩次的結(jié)果進行比較，并分析原因。最后用ipcrm命令刪除自己建立的共享存儲區(qū)。#include<sys/types.h>#include<sys/ipc.h>#include<sys/shm.h>main(){key_tkey=69;intshmid_1,shmid_2;if((shmid_1=shmget(key,1000,0644|IPC_CREAT))==-1){perror("shmgetshmid_1");exit(1);}printf("Firstsharedmemoryidentifieris%d\n",shmid_1);if((shmid_2=shmget(IPC_PRIVATE,20,0644))==-1){perror("shmgetshmid_2");exit(2);}printf("Secondsharedmemoryidentifieris%d\n",shmid_2);exit(0);}key值為IPC_PRIVATE時，調(diào)用shmget()將生成一個新的共享內(nèi)存段。（2）每個同學(xué)登陸兩個窗口，先在一個窗口中運行例 3程序1（或者只登陸一個窗口，先在該窗口中以后臺方式運行程序1），然后在另一個窗口中運行例3程序2，觀察程序的運行結(jié)果并分析。運行結(jié)束后可以用ctrl+c結(jié)束程序1的運行。例3：（程序1）#include<sys/types.h>#include<sys/ipc.h>#defineSHMKEY69#defineK 1024intshmid;main(){inti,*pint;char*addr;externchar*shmat();externcleanup();for(i=0;i<20;i++)signal(i,cleanup);shmid=shmget(SHMKEY,16*K,0777|IPC_CREAT);/*建立16K共享區(qū)SHMKEY*/addr=shmat(shmid,0,0);/*掛接，并得到共享區(qū)首地址 */printf("addr0x%x\n",addr);pint=(int*)addr;for(i=0;i<256;i++)*pint++=i;pause();/*等待接收進程讀 */}cleanup(){shmctl(shmid,IPC_RMID,0);exit();}例3：（程序2）#include<sys/types.h>#include<sys/ipc.h>#defineSHMKEY69#defineK 1024intshmid;main(){inti,*pint;char*addr;externchar*shmat();shmid=shmget(SHMKEY,8*K,0777);/*取共享區(qū)SHMKEY的id*/addr=shmat(shmid,0,0);/*連接共享區(qū)*/pint=(int*)addr;for(i=0;i<256;i++)printf("%d",*pint++);/* 打印共享區(qū)中的內(nèi)容*/}在后臺運行的例3的程序1：首先系統(tǒng)通過調(diào)用shmctl()對shmid指向的內(nèi)存段進行刪除操作，接著系統(tǒng)調(diào)用shmget()創(chuàng)建一個16K的共享內(nèi)存段，成功返回共享內(nèi)存段的標識符給shmid，系統(tǒng)再次調(diào)用shmat()連接內(nèi)存段，返回共享內(nèi)存段連接到調(diào)用進程地址空間上的地址addr，最后向該共享內(nèi)存段中寫入數(shù)據(jù)；終端運行的例3的程序2：首先系統(tǒng)調(diào)用shmget()創(chuàng)建一個8K的共享內(nèi)存段，由key與程序1相同，所以返回給shmid的值與程序1所創(chuàng)建的共享內(nèi)存段的標識符相同，再通過調(diào)用shmat()掛接內(nèi)存段，由shmid與程序1相同，所以掛接到程序1所創(chuàng)建的共享內(nèi)存段，最后讀取該共享內(nèi)存段的數(shù)據(jù)并輸出到屏幕上。（3）編寫程序：使用系統(tǒng)調(diào)用shmget()，shmat()，shmdt()，shmctl()，編制程序。要求在父進程中生成一個30字節(jié)長的私有共享內(nèi)存段。接下來，設(shè)置一個指向共享內(nèi)存段的字符指針，將一串大寫字母寫入到該指針指向的存貯區(qū)。調(diào)用fork()生成子進程，讓子進程顯示共享內(nèi)存段中的內(nèi)容。接著，將大寫字母改成小寫，子進程修改共享內(nèi)存中的內(nèi)容。之后，子進程將脫接共享內(nèi)存段并退出。父進程在睡眠5秒后，在此顯示共享內(nèi)存段中的內(nèi)容（此時已經(jīng)是小寫字母） 。#include<sys/types.h>#include<sys/ipc.h>#include<sys/shm.h>#defineSHMKEY69#defineK 1024intshmid_1,shmid_2;main(){intx,y,i,*pint;char*addr_1,*addr_2;charwords[26]={'A','B','C','D','E','F','G','H','I','J','K','L','M