操作系統(tǒng)教程：進程通信

3.5進程通信3.5.1信號通信機制3.5.2共享文件通信機制3.5.3共享存儲區(qū)通信機制3.5.4消息傳遞通信機制3.5.5有關消息傳遞實現的若干問題進程通信概念(1)

并發(fā)進程之間的交互必須滿足兩個基本要求：同步和通信。進程競爭資源時要實施互斥，互斥是一種特殊的同步，實質上需要解決好進程同步問題，進程同步是一種進程通信，通過修改信號量，進程之間可建立起聯系，相互協(xié)調運行和協(xié)同工作。進程通信概念(2)

進程協(xié)同工作時，需要互相交換信息，有些情況下進程間交換的少量信息，有些情況下進程間交換大批數據。進程之間互相交換信息的工作稱為進程通信IPC（InterProcessCommunication）。

進程間通信的方式(1)信號（signal）通信機制;共享存儲區(qū)(sharedmemory)通信機制;共享文件(sharedfile)通信機制;消息傳遞(messagepassing)通信機制。

進程間通信的方式(2)

socket通信機制(在ch8中介紹)socket既適合單機上的進程通信，也適用于網絡環(huán)境下的進程通信。這種機制其實是命名pipe在網絡環(huán)境下的實現和推廣，己成為所有網絡操作系統(tǒng)的一項基礎功能。

進程間通信的方式(3)

UNIX發(fā)展歷史中，AT&T的Bell與加大伯克利的BSD是兩大主力。Bell致力于改進傳統(tǒng)的進程IPC，形成了SYSTEMⅤIPC機制。BSD在改進IPC的同時，把網絡通信規(guī)程(TCP/IP)實現到UNIX內核中，考慮把同一計算機上的進程通信納入更廣的網絡范圍的進程通通信，這種努力結果出現了socket通信機制。

進程間通信的方式(4)

STSTEMⅤIPC進程通信機制，包括：消息隊列、共享存儲區(qū)和信號量。消息隊列允許一個進程向其他進程發(fā)送消息(格式化數據)；共享存儲區(qū)讓多個進程可共享它們的部分虛地址空間；信號量則允許若干進程通過它來同步地運行。進程間通信的方式(5)

低級通信機制，適用于集中式操作系統(tǒng)高級通信機制，既適用于集中式操作系統(tǒng)，又適用于分布式操作系統(tǒng)3.5.1信號通信機制

信號機制又稱軟中斷，一種簡單的通信機制，通過發(fā)送一個指定信號來通知進程某個異常事件發(fā)生。信號不但能從內核發(fā)給一個進程，也能由一個進程發(fā)給另一個進程。UNIX系統(tǒng)信號分成以下幾類(1)

?與進程終止相關的信號SIGCLD、SIGHUP、SIGKILL、SIGCHLD等,如進程結束、進程殺死子進程,;?與進程例外事件相關的信號SIGBUS、SIGSEGV、SIGPWR、SIGFPE等,如進程執(zhí)行特權指令、寫只讀區(qū)、地址越界、總線超時,硬件故障;?與進程執(zhí)行系統(tǒng)調用相關的信號SIGPIPE、SIGSYS、SIGILL等,如進程執(zhí)行非法系統(tǒng)調用、管道存取錯;UNIX系統(tǒng)信號分成以下幾類(2)

?與進程終端交互相關的信號SIGINT、SIGQUT等,如進程掛斷終端、用戶按delete鍵或break健。?用戶進程發(fā)信號SIGTERM、SIGALRM、SIGUSR1、SIGUS2等,如進程向另一進程發(fā)一個信號、要求報警;?跟蹤進程執(zhí)行的信號SIGTRAP等。UNIX軟中斷機制(1)具有以下功能：軟中斷信號的發(fā)送，軟中斷信號的響應和軟中斷信號的處理。信號發(fā)送工作由系統(tǒng)調用kill完成信號響應使用系統(tǒng)調用signal完成信號的處理過程UNIX軟中斷機制(2)

用戶空間系統(tǒng)空間應用程序系統(tǒng)調用或中斷服務信號處理程序應用程序產生系統(tǒng)調用或中斷訪管轉向用戶空間執(zhí)行信號處理信號處理程序結束返回內核從內核返回用戶空間信號的檢測與處理流程3.5.2共享文件通信機制(1)

管道(pipeline)是連接讀寫進程的一個特殊文件，允許進程按先進先出方式傳送數據,也能使進程同步執(zhí)行操作。發(fā)送進程以字符流形式把大量數據送入管道，接收進程從管道中接收數據，所以叫管道通信。共享文件通信機制(2)

管道的實質是一個共享文件，基本上可借助于文件系統(tǒng)的機制實現，包括（管道）文件的創(chuàng)建、打開、關閉和讀寫。共享文件通信機制(3)

讀寫進程相互協(xié)調，必須做到：?

進程對通信機構的使用應該互斥，一個進程正在使用某個管道寫入或讀出數據時，另一個進程就必須等待。?

發(fā)送者和接收者雙方必須能夠知道對方是否存在，如果對方已經不存在，就沒有必要再發(fā)送信息。共享文件通信機制(4)

?管道長度有限,發(fā)送信息和接收信息之間要實現正確的同步關系。

?write阻塞。

?read阻塞。

共享文件通信機制(5)寫進程共享文件讀進程共享文件通信機制(6)

系統(tǒng)打開文件表用戶打開文件表內存活動索引節(jié)點表外存fp讀進程寫進程fp文件節(jié)點指針文件節(jié)點指針索引節(jié)點pipe文件

pipe的數據結構UNIX中管道的定義如下

intpipe(files);

intfiles[2];父子進程通過管道傳送信息

的一個例子(1)

#include<stdio.h>#defineMSGSIZE16char*msg1=”hello,world#1”;char*msg2=”hello,world#2”;char*msg3=”hello,world#3”;

父子進程通過管道傳送信息

的一個例子(2)main(){charinbuf[MSGSIZE];

intp[2],j,pid;

if(pipe(p)<0){/*openpipe*/

perror(“pipecall”);exit(1);}if((pid=fork()<0){

perror(“forkcall”);exit(2);}

父子進程通過管道傳送信息

的一個例子(3)

/*ifparent,thenclosereadfiledescriptorandwritedownpipe*/if(pid>0{close(p[0]);write(p[1],msg1,MSGSIZE);write(p[1],msg2,MSGSIZE);write(p[1],msg3,MSGSIZE);wait((int*)0);}

/*ifchild,thenclosewritefiledescriptorandreadfrompipe*/if(pid==0){close(p[1]);for(j=0;j<3;j++)read(p[0],inbuf,MSGSIZE);

printf(“%s\n,inbuf”);}}exit(0);}兄弟進程通過管道傳送信息

的一個例子(1)

(1)進程A創(chuàng)建一個管道，創(chuàng)建完成時代表管道兩端的兩個己打開文件都在進程A中。(2)進程A通過fork()創(chuàng)建出子進程B，在fork()過程中進程A的打開文件表按原樣復制到進程B中。(3)進程A關閉管道的讀端，而進程B關閉管道的寫端。于是，管道的寫端在進程A中而讀端在進程B中，成為父子進程之間的通信管道。兄弟進程通過管道傳送信息

的一個例子(2)

(4)進程A又通過fork()創(chuàng)建進程C，然后，關閉其管道寫端而與管道脫離關系，使得管道的寫端在進程C中的讀端在進程B中，成為兩個兄弟之間的管道。(5)進程C和進程B各自通過exec()執(zhí)行各自的目標程序，并通過管道進行單向通信。

兄弟進程通過管道傳送信息

的一個例子(3)

寫端讀端…進程A寫端讀端…進程B管道文件(緩沖區(qū))進程A打開文件表進程B打開文件表父子進程通過管道單向通信兄弟進程通過管道傳送信息

的一個例子(4)

寫端讀端…進程B管道文件(緩沖區(qū))寫端讀端…進程A進程A打開文件表進程B打開文件表兄弟進程通過管道單向通信寫端讀端…進程C進程C打開文件表兄弟進程通過管道傳送信息

的一個例子(5)

例如，一個使用管道的Shell命令行：

ls–1｜

wc-1則上述A進程相當于Shell，進程B執(zhí)行“wc-1”，而進程C執(zhí)行“l(fā)s-1”。不過在進程C中要將“標準輸出”stdout重定向到管道的寫端，而在進程B中要將“標準輸入”stdin重定向到管道的讀端。3.5.3共享存儲區(qū)通信機制

ProcessAProcessBSharedmemorykernel與共享存儲有關的系統(tǒng)調用?

shmget(key,size,permflags)?

shmat(shm-id,daddr,shmflags)?

shmdt(memptr)?

shmctl(shm-id,command,&shm-stat)3.5.4消息傳遞(1)什么是消息傳遞（messagepassing）?消息和消息傳遞機制基本的消息傳遞原語send，receive消息傳遞(2)?

采用消息傳遞機制后，一個正在執(zhí)行的進程可在任何時刻向另一個正在執(zhí)行的進程發(fā)送消息；一個正在執(zhí)行的進程也可在任何時刻向正在執(zhí)行的另一個進程請求消息。消息傳遞(3)?

一個進程在某一時刻的執(zhí)行依賴于另一進程的消息或等待其他進程對發(fā)出消息的回答，那么，消息傳遞機制緊密地與進程的阻塞和釋放相聯系。消息傳遞就進一步擴充了并發(fā)進程間對數據的共享，提供了進程同步的能力。直接通信發(fā)送或接收消息的進程必須指出信件發(fā)給誰或從誰那里接收消息原語send（P，消息）：把一個消息發(fā)送給進程P原語receive（Q，消息）：從進程Q接收一個消息間接通信(1)

進程間發(fā)送或接收消息通過信箱進行，消息可被理解成信件?原語send（A，信件）：把一封信件（消息）傳送到信箱A?原語receive（A，信件）：從信箱A接收一封信件（消息）間接通信(2)

間接通信的實現(1)信箱是存放信件的存儲區(qū)域，每個信箱可分成信箱特征和信箱體兩部分。信箱特征指出信箱容量、信件格式、指針等；信箱體用來存放信件間接通信(3)

間接通信的實現(2)發(fā)送信件：如果指定信箱未滿，則將信件送入信箱中由指針所指示的位置，并釋放等待該信箱中信件的等待者；否則發(fā)送信件者被置成等待信箱狀態(tài)間接通信(4)

間接通信的實現(3)接收信件：如果指定信箱中有信，則取出一封信件，并釋放等待信箱的等待者，否則接收信件者被置成等待信箱中信件的狀態(tài)間接通信(5)typebox=recordsize:integer;/*信箱大小*/

count:integer;/*現有信件數*/

letter:array[1..n]ofmessage;/*信箱*/

S1,S2:semaphore;/*等信箱和等信件信號量*/end間接通信(6)proceduresend(varB:box,M:message)

varI:integer;begin

ifB.count=B.sizethenW(B.s1);

i:=B.count+1;

B.letter[i]:=M;

B.coumt:=I;

R(B.S2)end;{send}間接通信(7)procedurereceive(varB:box,x:message)

vari:integer;beginifB.count=0thenW(B.s2);B.count:=B.count-1;x:=B.letter[1];ifB.countnot=0thenfori=1tob.countdoB.letter[i]:=B.letter[i+1];R(B.S1);end;{receive}用消息傳遞機制解決

生產者-消費者問題(1)

varcapacity:integer;

/*緩沖大小*/

i:integer;procedureproducer;

varpmsg:message;beginwhiletruedobeginreceive(mapproduce,pmsg);/*等待空消息*/

pmsg:=produce;/*生產消息*/

send(mayconsume,pmsg);/*發(fā)送消息*/

endend;用消息傳遞機制解決

生產者-消費者問(2)

procedureconsumer;

varcmsg:message;beginwhiletruedobeginreceive(mayconsume,cmsg);/*接收消息*/

consume(csmg);/*消耗消息*/

send(mayproduce,null);/*發(fā)送空消息*/

endend;用消息傳遞機制解決

生產者-消費者問題(3)

begin/*主程序*/

creat-mailbox(mayprocuce);/*創(chuàng)建信箱*/

creat-mailbox(mayconsume);fori=1tocapacitydosend(mayproduce,null);/*發(fā)送空消息*/

cobegin

producer;consumer;

coendend3.5.5有關消息傳遞實現的若干問題

信箱容量問題多進程與信箱相連的信件接收問題信箱的所有權問題信件的格式問題通信進程并行性問題消息緩沖通信涉及的數據結構

sender：發(fā)送消息的進程名或標識符

size：發(fā)送的消息長度

text：發(fā)送的消息正文

next-ptr：指向下一個消息緩沖區(qū)的指針在進程的PCB中涉及通信的數據結構：

mptr：消息隊列隊首指針

mutex：消息隊列互斥信號量,初值為1

sm：表示接收進程消息隊列上消息的個數，初值為0，是控制收發(fā)進程同步的信號量消息緩沖通信的發(fā)送原語

和接收原語(1)

?發(fā)送原語send：申請一個消息緩沖區(qū)，把發(fā)送區(qū)內容復制到這個緩沖區(qū)中；找到接收進程的PCB，執(zhí)行互斥操作P(mutex)；把緩沖區(qū)掛到接收進程消息隊列的尾部，執(zhí)行V(sm)、即消息數加1；執(zhí)行V(mutex)。

消息緩沖通信的發(fā)送原語

和接收原語(2)

?接收原語receive：執(zhí)行P(sm)查看有否信件；執(zhí)行互斥操作P(mutex)，從消息隊列中摘下第一個消息，執(zhí)行V(mutex)；把消息緩沖區(qū)內容復制到接收區(qū)，釋放消息緩沖區(qū)。

消息緩沖通信過程