实验三 进程的管道通信实验.docx
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实验三进程的管道通信实验
实验三进程的管道通信
一、实验目的
(1)了解什么是管道
(2)熟悉UNIX/LINUX支持的管道通信方式
二、实验学时
4学时
三、实验内容
编写程序实现进程的管道通信。
用系统调用pipe()建立一管道,二个子进程P1和P2分别向管道各写一句话:
Child1issendingamessage!
Child2issendingamessage!
父进程从管道中读出二个来自子进程的信息并显示(要求先接收P1,后P2)。
四、实验指导
一、什么是管道
UNIX系统在OS的发展上,最重要的贡献之一便是该系统首创了管道(pipe)。
这也是UNIX系统的一大特色。
所谓管道,是指能够连接一个写进程和一个读进程的、并允许它们以生产者—消费者方式进行通信的一个共享文件,又称为pipe文件。
由写进程从管道的写入端(句柄1)将数据写入管道,而读进程则从管道的读出端(句柄0)读出数据。
句柄fd[0]
句柄fd[1]
读出端
写入端
二、管道的类型:
1、有名管道
一个可以在文件系统中长期存在的、具有路径名的文件。
用系统调用mknod()建立。
它克服无名管道使用上的局限性,可让更多的进程也能利用管道进行通信。
因而其它进程可以知道它的存在,并能利用路径名来访问该文件。
对有名管道的访问方式与访问其他文件一样,需先用open()打开。
2、无名管道
一个临时文件。
利用pipe()建立起来的无名文件(无路径名)。
只用该系统调用所返回的文件描述符来标识该文件,故只有调用pipe()的进程及其子孙进程才能识别此文件描述符,才能利用该文件(管道)进行通信。
当这些进程不再使用此管道时,核心收回其索引结点。
二种管道的读写方式是相同的,本文只讲无名管道。
3、pipe文件的建立
分配磁盘和内存索引结点、为读进程分配文件表项、为写进程分配文件表项、分配用户文件描述符
4、读/写进程互斥
内核为地址设置一个读指针和一个写指针,按先进先出顺序读、写。
为使读、写进程互斥地访问pipe文件,需使各进程互斥地访问pipe文件索引结点中的直接地址项。
因此,每次进程在访问pipe文件前,都需检查该索引文件是否已被上锁。
若是,进程便睡眠等待,否则,将其上,锁,进行读/写。
操作结束后解锁,并唤醒因该索引结点上锁而睡眠的进程。
三、所涉及的系统调用
1、pipe()
建立一无名管道。
系统调用格式
pipe(filedes)
参数定义
int pipe(filedes);
int filedes[2];
其中,filedes[1]是写入端,filedes[0]是读出端。
该函数使用头文件如下:
#include
#inlcude
#include
2、read()
系统调用格式
read(fd,buf,nbyte)
功能:
从fd所指示的文件中读出nbyte个字节的数据,并将它们送至由指针buf所指示的缓冲区中。
如该文件被加锁,等待,直到锁打开为止。
参数定义
int read(fd,buf,nbyte);
int fd;
char*buf;
unsigned nbyte;
3、write()
系统调用格式
read(fd,buf,nbyte)
功能:
把nbyte 个字节的数据,从buf所指向的缓冲区写到由fd所指向的文件中。
如文件加锁,暂停写入,直至开锁。
参数定义同read()。
四、参考程序
#include
#include
#include
intpid1,pid2;
main()
{
intfd[2];
charoutpipe[100],inpipe[100];
pipe(fd); /*创建一个管道*/
while((pid1=fork())==-1);
if(pid1==0)
{
lockf(fd[1],1,0);
sprintf(outpipe,"child1processissendingmessage!
");
/*把串放入数组outpipe中*/
write(fd[1],outpipe,50); /*向管道写长为50字节的串*/
sleep(5); /*自我阻塞5秒*/
lockf(fd[1],0,0);
exit(0);
}
else
{
while((pid2=fork())==-1);
if(pid2==0)
{ lockf(fd[1],1,0); /*互斥*/
sprintf(outpipe,"child2processissendingmessage!
");
write(fd[1],outpipe,50);
sleep(5);
lockf(fd[1],0,0);
exit(0);
}
else
{ wait(0); /*同步*/
read(fd[0],inpipe,50); /*从管道中读长为50字节的串*/
printf("%s/n",inpipe);
wait(0);
read(fd[0],inpipe,50);
printf("%s/n",inpipe);
exit(0);
}
}
}
五、运行结果
延迟5秒后显示
child1processissendingmessage!
再延迟5秒
child2processissendingmessage!
实验四进程间通信
一、实验目的
Linux系统的进程通信机构(IPC)允许在任意进程间大批量地交换数据。
本实验的目的是了解和熟悉Linux支持的消息通讯机制及信息量机制。
二、实验学时
4学时
三、实验内容
利用msgget()、msgsnd()、msgrcv()、msgctl()等系统调用编写两个程序client.c和server.c,分别用于消息的发送和接收。
server建立一个key为75的消息队列,等待其它进程发来的消息。
当遇到类型为1的消息,则作为结束信号,取消该队列,并退出server。
server每接收到一个消息后显示一句“(server)received”。
client使用key为75的消息队列,先后发送类型从10到1的消息,然后退出。
最后一个消息,即是server端需要的结束信号。
client每发送一条消息后显示一句“(client)sent”。
四、实验要求
阅读Linux系统的msg.c、sem.c和shm.c等源码文件,熟悉Linux的三种机制。
五、实验步骤
利用msgget()、msgsnd()、msgrcv()、msgctl()等系统调用编写两个程序client.c和server.c,分别用于消息的发送和接收。
server建立一个key为75的消息队列,等待其它进程发来的消息。
当遇到类型为1的消息,则作为结束信号,取消该队列,并退出server。
server每接收到一个消息后显示一句“(server)received”。
client使用key为75的消息队列,先后发送类型从10到1的消息,然后退出。
最后一个消息,即是server端需要的结束信号。
client每发送一条消息后显示一句“(client)sent”。
server.c参考程序如下:
#include
#include
#include
#include
#include
#defineMSGKEY75
structmsgform
{
longmtype;
charmtext[1000];
}msg;
intmsgqid;
voidserver()
{
msgqid=msgget(MSGKEY,0777|IPC_CREAT);/*创建75#消息队列*/
do
{
msgrcv(msgqid,&msg,1030,0,0);/*接收消息*/
printf("(server)received\n");
}while(msg.mtype!
=1);
msgctl(msgqid,IPC_RMID,0);/*删除消息队列,归还资源*/
exit(0);
}
main()
{
server();
}
client.c参考程序如下:
#include
#include
#include
#include
#include
#defineMSGKEY75
structmsgform
{
longmtype;
charmtext[1000];
}msg;
intmsgqid;
voidclient()
{
inti;
msgqid=msgget(MSGKEY,0777);/*打开75#消息队列*/
for(i=10;i>=1;i--)
{
msg.mtype=i;
printf("(client)sent\n");
msgsnd(msgqid,&msg,1024,0);/*发送消息*/
}
exit(0);
}
main()
{
client();
}
将上述两个程序分别编译为server和client,并按以下方式执行:
./server&
ipcs–q
./client
Client和server分别发送和接收了10条消息。
观察运行结果,注意发送方发送消息和接收方接收消息的顺序。
涉及到的系统调用:
1、msgget()
系统调用格式
intmsgget(key_tkey,intmsgflg);
功能:
获取与某个键关联的消息队列标识。
消息队列被建立的情况有两种:
(1)如果键的值是IPC_PRIVATE。
(2)或者键的值不是IPC_PRIVATE,并且键所对应的消息队列不存在,同时标志中指定IPC_CREAT。
参数定义
key:
消息队列关联的键。
msgflg:
消息队列的建立标志和存取权限。
返回说明:
成功执行时,返回消息队列标识值。
失败返回-1,errno被设为以下的某个值:
EACCES:
指定的消息队列已存在,但调用进程没有权限访问它,而且不拥有CAP_IPC_OWNER权限
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中不指定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
该函数使用头文件如下:
#include
#include
#include
2、msgsnd()和msgrcv()
系统调用格式
intmsgsnd(intmsqid,constvoid*msgp,size_tmsgsz,intmsgflg);
ssize_tmsgrcv(intmsqid,void*msgp,size_tmsgsz,longmsgtyp,intmsgflg);
功能:
在消息队列上进行收发消息。
为了发送消息,调用进程对消息队列必须有写权限。
接收消息时必须有读权限。
参数定义
msqid:
消息队列的识别码。
msgp:
指向消息缓冲区的指针,此位置用来暂时存储发送和接收的消息,是一个用户可定义的通用结构,形态如下
structmsgbuf{
longmtype;/*消息类型,必须>0*/
charmtext[100];/*消息文本*/
};
msgsz:
消息的大小。
msgtyp:
从消息队列内读取的消息形态。
如果值为零,则表示消息队列中的所有消息都会被读取。
msgflg:
用来指明核心程序在队列没有数据的情况下所应采取的行动。
如果msgflg和常数IPC_NOWAIT合用,则在msgsnd()执行时若是消息队列已满,则msgsnd()将不会阻塞,而会立即返回-1,如果执行的是msgrcv(),则在消息队列呈空时,不做等待马上返回-1,并设定错误码为ENOMSG。
当msgflg为0时,msgsnd()及msgrcv()在队列呈满或呈空的情形时,采取阻塞等待的处理模式。
该函数使用头文件如下:
#include
#include
#include
返回说明:
成功执行时,msgsnd()返回0,msgrcv()返回拷贝到mtext数组的实际字节数。
失败两者都返回-1,errno被设为以下的某个值:
[对于msgsnd]
EACCES:
调用进程在消息队列上没有写权限,同时没有CAP_IPC_OWNER权限
EAGAIN:
由于消息队列的msg_qbytes的限制和msgflg中指定IPC_NOWAIT标志,消息不能被发送
EFAULT:
msgp指针指向的内存空间不可访问
EIDRM:
消息队列已被删除
EINTR:
等待消息队列空间可用时被信号中断
EINVAL:
参数无效
ENOMEM:
系统内存不足,无法将msgp指向的消息拷贝进来
[对于msgrcv]
E2BIG:
消息文本长度大于msgsz,并且msgflg中没有指定MSG_NOERROR
EACCES:
调用进程没有读权限,同时没具有CAP_IPC_OWNER权限
EAGAIN:
消息队列为空,并且msgflg中没有指定IPC_NOWAIT
EFAULT:
msgp指向的空间不可访问
EIDRM:
当进程睡眠等待接收消息时,消息已被删除
EINTR:
当进程睡眠等待接收消息时,被信号中断
EINVAL:
参数无效
ENOMSG:
msgflg中指定了IPC_NOWAIT,同时所请求类型的消息不存在
3、msgctl()
系统调用格式
intmsgctl(intmsqid,intcmd,structmsqid_ds*buf);
功能:
在指定的消息队列上执行某种控制操作。
参数定义
msqid:
消息队列识别码。
cmd:
操作命令,可能值在下面给出:
IPC_STAT:
将msqid所指定的消息队列的信息拷贝一份到buf指针所指向的地址。
调用者必须对消息队列有读权限。
IPC_SET:
将由buf所指向的msqid_ds结构的一些成员写入到与这个消息队列关联的内核结构。
同时更新的字段有msg_ctime。
结构体的以下成员会被更新:
msg_qbytes,msg_perm.uid,msg_perm.gid和msg_perm.mode的低九位。
调用进程的有效标识必须匹配消息队列属主(msg_perm.uid)或建立者(msg_perm.uid),或者调用者必须拥有相关的特权(如Linux下的CAP_IPC_RESOURCE)。
IPC_RMID:
删除指定的消息队列,唤醒所有等待中的读者和写者进程。
IPC_INFO:
(Linux特有命令)获取系统范围内消息队列的制约和其它参数,并储存在buf指向的结构。
这一操作需要将msginfo类型造型成msqid_ds,msginfo定义于
structmsginfo{
intmsgpool;/*用于保存消息数据的缓冲池大小,字节为单位,尚未被使用*/
intmsgmap;/*消息映射中的最大入口,尚未被使用*/
intmsgmax;/*能够写入单个消息的最大字节数*/
intmsgmnb;/*能够写入消息队列的最大字节数;队列建立期间用于初始化msg_qbytes字段*/
intmsgmni;/*系统允许的最大消息队列数*/
intmsgssz;/*消息段大小,尚未被使用*/
intmsgtql;/*队列上能够存放的最大消息数,尚未被使用*/
unsignedshortintmsgseg;/*消息可用的最大段数,尚未被使用*/
};
MSG_INFO:
(Linux特有命令)返回和IPC_INFO命令相同的信息。
除了下面字段用消息队列耗费的系统资源信息填充外:
msgpool字段包含有当前系统存在的消息数。
msgmap字段包含有系统范围内所有队列的消息总量。
msgtql字段包含有系统范围所有消息的总字节数。
MSG_STAT:
(Linux特有命令)返回和IPC_STAT命令相同的信息。
区别在于msqid参数并非队列标识,而是内核内部存放所有消息队列信息数组的索引。
buf:
用于描述某个消息队列的元数据,下面给出它的原型:
structmsqid_ds{
structipc_permmsg_perm;/*队列的属主和权限*/
time_tmsg_stime;/*最后一次msgsnd()操作的时间*/
time_tmsg_rtime;/*最后一次msgrcv()操作的时间*/
time_tmsg_ctime;/*最后一次队列改变的时间*/
unsignedlong__msg_cbytes;/*当前队列上包含的字节数*/
msgqnum_tmsg_qnum;/*当前队列上包含的消息数*/
msglen_tmsg_qbytes;/*队列上允许的最大字节数*/
pid_tmsg_lspid;/*最后一次执行msgsnd()的进程标识*/
pid_tmsg_lrpid;/*最后一次执行msgrcv()的进程标识*/
};
ipc_perm结构定义在
structipc_perm{
key_tkey;/*提供给msgget()的键*/
uid_tuid;/*属主的有效UID*/
gid_tgid;/*属主的有效GID*/
uid_tcuid;/*建立者的有效UID*/
gid_tcgid;/*建立者的有效GID*/
unsignedshortmode;/*权限位*/
unsignedshortseq;/*系列号*/
};
该函数使用头文件如下:
#include
#include
#include
返回说明:
成功执行时,IPC_STAT,IPC_SET和IPC_RMID返回0。
IPC_INFO或MSG_INFO返回内核内部记录所有消息队列信息数组的最高可用入口索引。
MSG_STAT返回队列标识。
失败返回-1,errno被设为以下的某个值:
EACCES:
权限不足
EFAULT:
buf所指向的空间不可访问
EIDRM:
消息队列已被删除
EINVAL:
参数无效
EPERM:
操作不允许
任务4:
并发进程间通过共享存储区实现数据传送
参考程序:
#include
#include
#include
#defineSHMKEY75
intshmid,i,p1,p2;
int*addr;
voidCLIENT()/*发送过程*/
{
inti;
shmid=shmget(SHMKEY,1024,0777);/*打开共享存储区*/
addr=(int*)shmat(shmid,0,0);/*获取共享存储区的首地址*/
for(i=29;i>=0;i--)
{
while(*addr!
=-1);/*判断是否可写*/
*addr=i;/*写数据*/
printf("%d",*addr);
printf("(client)sent\n");
}
exit(0);
}
voidSERVER()/*接收进程*/
{
inti;
shmid=shmget(SHMKEY,1024,0777|IPC_CREAT);/*创建共享存储区*/
addr=(int*)shmat(shmid,0,0);
do
{
*addr=-1;
while(*addr==-1);/*判断信息是否传来*/
printf("%d",*addr+30);/*读,并加工数据*/
printf("(server)received\n");
}while(*addr);
shmctl(shmid,IPC_RMID,0);/*撤消共享存储区,归还资源*/
exit(0);
}
main()
{
while((p1=fork())==-1);/*父进程*/
if(p1==0)SERVER();/*子进程p1*/
while((p2=fork())==-1);/*父进程*/
if(p2==0)CLIENT();/*子进程p2*/
wait(0);/*父进程*/
wait(0);/*父进程*/
}
程序说明:
用主程序作为“引子”,先后fork()两个子进程,SERVER和CLIENT,让它们利用共享存储区的方式进行通信:
CLIENT端获取一个KEY为75的共享区,当共享区第一个字节的值为-1时,表示SERVER端空闲。
这时CLIENT向共享区中填入要发送的数据,同时显示自己发送的数据,然后显示一句“(client)sent”。
SERVER端获取(如果还没有就创建)一个KEY为75的共享存储区,并将第一个字节置为-1,作为数据空的标志,等待其他进程发来的消息。
当该字节的值发生变化时,表示收到了信息,SERVER取得该数据,进行处理,然后将处理结果显
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