UNIX Linux實驗教程 4實驗四Linux進程間通信

1、實驗四 Linux進程間通信一. 實驗?zāi)康募由顚Σ僮飨到y(tǒng)進程間通信機制的理解，掌握利用管道、共享內(nèi)存、消息通信和信號量集等機制實現(xiàn)進程間通信的程序設(shè)計技術(shù)。二. 實驗指導(dǎo)在多任務(wù)計算機系統(tǒng)中，每個進程都具有自己獨立的全局變量和局部變量，子進程幾乎完全獨立于創(chuàng)建它的進程。進程之間交換信息需要借用操作系統(tǒng)內(nèi)核提供的進程間通信（IPC）機制來實現(xiàn)。常見的進程間通信方法有：共享內(nèi)存、信號量、管道/命名管道、消息隊列、套接口和全雙工管道等。前5種只適應(yīng)于處于同一臺主機的本地進程間通信，后2種方式還適應(yīng)于運行在2臺不同計算機系統(tǒng)上的兩個進程間通信。Linux系統(tǒng)提供了一組系統(tǒng)調(diào)用作為用戶使用其進程間通信機

2、制的接口。(一) 管道通信系統(tǒng)調(diào)用1文件鎖定系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)說明：#include unistd.hint lockf(int files, int function, long size);其中：files是文件描述符；function是鎖定和解鎖：1表示鎖定，0表示解鎖。size是鎖定或解鎖的字節(jié)數(shù)，為0，表示從文件的當(dāng)前位置到文件尾。2. 創(chuàng)建無名管道系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)說明： #include #inlcude int pipe(int filedes2);執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用后，filedes1是管道寫入端，filedes0是管道讀出端。(二) 消息通信系統(tǒng)調(diào)用1. 創(chuàng)建消息隊列系統(tǒng)調(diào)用msgget(

3、) 函數(shù)說明：#include#include#includeint msgget(key_t key, int flag);參數(shù)說明：key 用戶指定的消息隊列的名字；flag 用戶設(shè)置的標(biāo)志和訪問方式。如 IPC_CREAT |0666 如果該隊列已經(jīng)存在，存在則返回該消息隊列描述符，不存在則創(chuàng)建一個新的消息隊列。2. 發(fā)送消息系統(tǒng)調(diào)用向指定的消息隊列發(fā)送一個消息，并將該消息鏈接到該消息隊列的尾部。函數(shù)說明：#include #include #include int msgsnd(int msgqid, struct msgbuf * msgp, int size, int flag);

4、其中msgqid是返回消息隊列的描述符；msgp是指向用戶消息緩沖區(qū)的一個結(jié)構(gòu)體指針，size指示由msgp指向的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中字符數(shù)組的長度。緩沖區(qū)中包括消息類型和消息正文，即: struct msgbuf long mtype; /*消息類型*/ char mtext ; /*消息的文本*/3. 消息接收系統(tǒng)調(diào)用從指定的消息隊列中接收一個指定類型的消息, 并從消息隊列中刪除此消息。消息隊列沒有消息則等待。函數(shù)說明： #include #include #include int msgrcv(int msgqid, struct msgbuf *msgp, int size, int type,

5、 int flag);其中，msgqid,msgp,size,flag與msgsnd中的對應(yīng)參數(shù)相似，type是規(guī)定要接收的消息類型。根據(jù)type的不同接收消息有3種方式：type=0，接收該隊列的第一個消息，并將它返回給調(diào)用者；type為正整數(shù)，接收類型type的第一個消息；type為負整數(shù)，接收小于等于type絕對值的最低類型的第一個消息。4. 消息隊列控制系統(tǒng)調(diào)用消息隊列控制函數(shù)，用于讀取消息隊列的狀態(tài)信息并進行修改，如查詢消息隊列描述符、修改它的許可權(quán)及刪除該隊列等。函數(shù)格式： #include #include #include int msgctl(int msgqid, int

6、cmd, struct msgqid_ds *buf); int msgqid,cmd; struct msgqid_ds *buf;其中，函數(shù)調(diào)用成功時返回0，不成功則返回-1。buf是用戶緩沖區(qū)地址，供用戶存放控制參數(shù)和查詢結(jié)果；cmd是規(guī)定的命令，命令可分三類：（1）IPC_STAT。查詢有關(guān)消息隊列情況的命令。如查詢隊列中的消息數(shù)目、隊列中的最大字節(jié)數(shù)、最后一個發(fā)送消息的進程標(biāo)識符、發(fā)送時間等；（2）IPC_SET。按buf指向的結(jié)構(gòu)中的值，設(shè)置和改變有關(guān)消息隊列屬性的命令。如改變消息隊列的用戶標(biāo)識符、消息隊列的許可權(quán)等；（3）IPC_RMID。消除消息隊列的標(biāo)識符。(三) 共享內(nèi)存通

7、信系統(tǒng)調(diào)用1. 創(chuàng)建、檢索一個共享存儲區(qū)函數(shù)格式：#include#include#include int shmget(key_t key, int size, int flag); 其中，key是共享存儲區(qū)關(guān)鍵字；size是其大?。ㄒ宰止?jié)計）；flag是用戶設(shè)置的標(biāo)志：IPC_CREAT表示若系統(tǒng)中尚無指名的共享存儲區(qū)，則由核心建立一個共享存儲區(qū)；若系統(tǒng)中已有共享存儲區(qū)，返回存在的共享內(nèi)存區(qū)標(biāo)識符。2. 獲得共享內(nèi)存區(qū)虛擬地址 從邏輯上將一個共享存儲區(qū)附接到進程的虛擬地址空間上。函數(shù)格式：#include#include#include char *shmat(int shmid, cha

8、r *addr, int flag);其中，shmid是共享存儲區(qū)的標(biāo)識符；addr是用戶給定的，將共享存儲區(qū)附接到進程的虛地址空間，其值為0時，由系統(tǒng)分配共享內(nèi)存的虛擬內(nèi)存地址；flag規(guī)定共享存儲區(qū)的讀、寫權(quán)限，以及系統(tǒng)是否應(yīng)對用戶規(guī)定的地址做舍入操作，SHM_RDONLY表示只讀，0表示可讀寫。該系統(tǒng)調(diào)用的返回值是共享存儲區(qū)所附接到的進程虛擬地址viraddr。3. 斷開共享內(nèi)存的進程虛擬地址把一個共享存儲區(qū)從指定進程的虛地址空間斷開。函數(shù)格式：#include#include#include int shmdt(char *addr);其中，addr是要斷開連接的虛地址，亦即以前由連接

9、的系統(tǒng)調(diào)用shmat( )所返回的虛地址。調(diào)用成功時，返回0值，調(diào)用不成功，返回-1。4. 共享存儲區(qū)的控制讀取和修改共享內(nèi)存區(qū)域的狀態(tài)。函數(shù)格式：#include#include#include int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf); int shmid,cmd; struct shmid_ds *buf;其中，buf是用戶緩沖區(qū)地址，cmd是操作命令。命令可分為多種類型：（1）用于查詢有關(guān)共享存儲區(qū)的情況。如其長度、當(dāng)前連接的進程數(shù)、共享區(qū)的創(chuàng)建者標(biāo)識符等；（2）用于設(shè)置或改變共享存儲區(qū)的屬性。如共享存儲區(qū)的許可權(quán)、當(dāng)前連

10、接的進程計數(shù)等；（3）對共享存儲區(qū)的加鎖和解鎖命令；（4）刪除共享存儲區(qū)標(biāo)識符等。上述的查詢是將shmid所指示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的有關(guān)成員，放入所指示的緩沖區(qū)中；而設(shè)置是用由buf所指示的緩沖區(qū)內(nèi)容來設(shè)置由shmid所指示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的相應(yīng)成員。(四) 信號量系統(tǒng)調(diào)用1. 信號量集合的創(chuàng)建與檢索系統(tǒng)創(chuàng)建與檢索信號量集合。函數(shù)格式：#include#include#include int semget(key_t key, int nsems, int semflag);其中，Key: IPC_PRIVATE時，關(guān)鍵字由系統(tǒng)選擇；nsems : 信號量集中信號量的個數(shù)；semflags: 指定信號量

11、的訪問權(quán)限和操作模式，取值：0 xyz: 低3位8進制數(shù)與文件權(quán)限一致 IPC_CREAT(00001000): 創(chuàng)建新的信號量集合，或返回已存在的信號量集 IPC_CREAT(00002000)：檢索信號量集合2. 信號量集操作函數(shù)格式：#include#include#include int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nops);其中，semid: 信號量集合；sops : 信號量操作參數(shù)；nops：本次操作的信號量個數(shù)；參數(shù)類型struct sembuf的定義如下：struct sembuf short sem_num;

12、 /信號燈編號，從0開始 short sem_op; /信號燈操作數(shù)，對應(yīng)信號燈增加或減少該值 short sem_flg; /操作標(biāo)志，通常為0。為IPC_NOWAIT時，信號量操作結(jié)果為負值也不阻塞 sem_op0: 釋放資源，實施V操作，semval加sem_op sem_op=0: 則semval0，繼續(xù)執(zhí)行， semval!=0, 則阻塞，加入等待隊列三. 實驗內(nèi)容與步驟1. 無名管道實驗編寫程序unnamed_pipe.c實現(xiàn)進程的管道通信。用系統(tǒng)調(diào)用pipe( )建立一個無名管道，在創(chuàng)建2個子進程P1和P2。然后讓2個子進程P1和P2分別向管道各寫一句話： Child 1 is

13、sending a message! Child 2 is sending a message!父進程從管道中讀出2個來自子進程的信息并顯示。 unnamed_pipe.c的參考程序請見附錄4。2. 命名管道實驗修改unnamed_pipe.c無名管道通信程序，改造成2個程序client.c和server.c，2個進程之間通過命名管道通信。運行client 2次，產(chǎn)生2個client進程，分別向管道寫一句話: Child 1 is sending a message!Child 2 is sending a message!server進程從管道讀出子進程發(fā)送的信息并顯示。3. 消息通信實驗1

14、）使用消息通信機制編寫消息發(fā)送和接收的程序，2個進程間傳送文本串信息。消息發(fā)送程序是msg_client.c，消息接收程序是msg_server.c。msg_client.c的參考程序請見附錄4。msg_server.c的參考程序請見附錄4。2）修改消息通信程序msg_server.c和msg_client.c，在2個進程之間傳遞消息正文為隨機數(shù)的消息。提示：可將產(chǎn)生的隨機數(shù)轉(zhuǎn)換成字符串后寫入消息正文發(fā)送，方法如下： sscanf(msg.mtext, “%6d”, rand();4. 共享內(nèi)存實驗1)編寫程序shmem.c,該程序產(chǎn)生2個子進程server和client，并以共享內(nèi)存方式傳遞

15、整數(shù)值。Client向server傳遞一些整數(shù)值，如傳遞整數(shù)1到9，要求兩個進程實現(xiàn)同步。shmem.c的參考程序見附錄4。2) 編寫共享內(nèi)存通信程序father.c, child.c和semaphore.c。運行father.c產(chǎn)生father進程，從標(biāo)準(zhǔn)輸入讀入一行文本串，寫入共享內(nèi)存；運行child.c產(chǎn)生child進程，從通信內(nèi)存讀取文本串并從終端顯示。semaphore.c利用Linux的信號量集機制實現(xiàn)信號量和P、V操作函數(shù),2個進程通過P、V操作實現(xiàn)同步。father.c、child.c和semaphore.c的參考程序請見附錄4。3) 改寫father.c和child.c程序，實現(xiàn)生產(chǎn)者消費者問題，生產(chǎn)者程序為proucer.c,消費者程序為consumer.c，緩沖區(qū)為一個共享內(nèi)存，2個進程共同實現(xiàn)一個文本文件shmem.c的讀入與顯示。producer進程每次從shmem.c讀入一行文本到共享內(nèi)存區(qū)，consumer進程從共享內(nèi)存去讀出文本顯示，2個進程使用信號燈和P、V操作實現(xiàn)同步。四. 實驗報告1. 命名管道實驗：寫出程序unnamed_pipe.