进程间通信

项目	内容
这个作业属于哪个课程	2020春季Linux系统与应用课程
这个作业的要求在哪里	作业要求
学号-姓名	17043207-蔡云冰
作业学习目标	1. 了解进程间通信的常用方式； 2. 掌握管道、消息队列、信号量、共享内存实现进程间通信的方法

1.进程通信。

• 匿名管道：

当进程使用 pipe 函数，就可以打开位于内核中的这个特殊“文件”。同时 pipe 函数会返回两个描述符，一个用于读，一个用于写。如果你使用 fstat 函数来测试该描述符，可以发现此文件类型为FIFO 。而无名管道的无名，指的就是这个虚幻的“文件”，它没有名字。

man 2 pipe

pipe 函数打开的文件描述符是通过参数（数组）传递出来的，而返回值表示打开成功（0）或失败（-1）。
它的参数是一个大小为 2 的数组。此数组的第 0 个元素用来接收以读的方式打开的描述符，而第 1 个元素用来接收以写的方式打开的描述符。也就是说， pipefd[0] 是用于读的，而 pipefd[1] 是用于写的。
打开了文件描述符后，就可以使用 read(pipefd[0]) 和 write(pipefd[1]) 来读写数据了。

注意事项
这两个分别用于读写的描述符必须同时打开才行，否则会出问题。

如果关闭读 ( close(pipefd[0]) ) 端保留写端，继续向写端 ( pipefd[1] ) 端写数据( write 函数)的进程会收到 SIGPIPE 信号。
如果关闭写 ( close(pipefd[1]) ) 端保留读端，继续向读端 ( pipefd[0] ) 端读数据( read 函数)，read 函数会返回 0.

父进程 fork 出一个子进程，通过无名管道向子进程发送字符，子进程收到数据后将字符串中的小写字符转换成大写并输出。

• 命名管道

1. 通过命令 mkfifo 创建管道
   man mkfifo
   
2. 通过函数 mkfifo(3) 创建管道
   man 3 mkfifo
   
   FIFO 文件的特性
   a） 查看文件属性
   当使用 mkfifo 创建 hello 文件后，查看文件信息如下：
   
   b) 使用 cat 命令打印 hello 文件内容
   

接下来你的 cat 命令被阻塞住。
开启另一个终端，执行：

然后你会看到被阻塞的 cat 又继续执行完毕，在屏幕打印 “hello world” 。如果你反过来执行上面 两个命令，会发现先执行的那个总是被阻塞。

c) fifo 文件特性

根据前面两个实验，可以总结：

• 文件属性前面标注的文件类型是p ，代表管道
• 文件大小是 0
• fifo 文件需要有读写两端，否则在打开 fifo 文件时会阻塞

当然了，如果在 open 的时候，使用了非阻塞方式，肯定是不会阻塞的。特别地，如果以非阻塞写的方 式 open ，同时没有进程为该文件以读的方式打开，会导致 open 返回错误(-1)，同时 errno 设置成 ENXIO .

例题：编写两个程序，分别是发送端 pipe_send 和接收端面 pipe_recv 。程序 pipe_send 从标准输入接收字符，并发送到程序 pipe_recv ，同时 pipe_recv 将接收到的字符打印到屏幕。



分别开启两个终端，分别运行 pipe_send 和 pipe_recv :


现在两个终端都处于阻塞状态，我们在运行 pipe_send 的终端输入数据，然后我们就可以在运行 pipe_recv 的终端看到相应的输出：


可以用组合按键结束上述两个进程。

2.IPC内核对象。

​ 每个 IPC 内核对象都是位于内核空间中的一个结构体。具体的对于共享内存、消息队列和信号量，他们在内核空间中都有对应的结构体来描述。当你使用 get 后缀创建内核对象时，内核中就会为它开辟一块内存保存它。只要你不显式删除该内核对象，它就永远位于内核空间中，除非你关机重启。

​ 进程空间的高 1G 空间（ 3GB-4GB ）是内核空间，该空间中保存了所有的 IPC 内核对象。上图给出不同的 IPC 内核对象在内存中的布局（以数组的方式），实际操作系统的实现并不一定是数组，也可能是链表或者其它数据结构等等。每个内核对象都有自己的 id 号（数组的索引）。此 id 号可以被用户空间使用。所以只要用户空间知道了内核对象的 id 号，就可以操控内核对象了。

​ 为了能够得到内核对象的 id 号，用户程序需要提供键值—— key ，它的类型是 key_t （ int 整型）。系统调用函数（ shmget , msgget 和 semget ）根据 key ，就可以查找到你需要的内核 id号。在内核创建完成后，就已经有一个唯一的 key 值和它绑定起来了，也就是说 key 和内核对象是一一对应的关系。（ key = 0 为特殊的键，它不能用来查找内核对象）

创建 IPC 内核对象

man 2 shmget

man 2 msgget

man 2 semget

在创建 IPC 内核对象时，用户程序一定需要提供key值才行。实际上，创建 IPC 内核对象的函数和获 取内核对象 id 的函数是一样的，都是使用get后缀函数。

例题：程序 ipccreate 用于在指定的键值上创建 ipc 内核对象。使用格式为 ./ipccreate ，比如 ./ipccreate 0 0x8888 表示在键值 0x8888 上创建共享内存。



获取 ipc 内核对象
程序 ipcget 用于在指定的键值上获取 ipc 内核对象的 id 号。使用格式为 ./ipcget ，比如
./ipcget 0 0x8888 表示获取键值 0x8888 上的共享内存 id 号。

3.共享内存

man 2 shmop

man 2 shmctl

例题：编写一个程序 shmctl 可以用来创建、删除内核对象，也可以挂接、卸载共享内存，还可以打印、设置内核对象信息。具体使用方法具体见下面的说明：

./shmctl -c : 创建内核对象。
./shmctl -d : 删除内核对象。
./shmctl -v : 显示内核对象信息。
./shmctl -s : 设置内核对象（将权限设置为 0600 ）。
./shmctl -a : 挂接和卸载共享内存（挂接 5 秒后，再执行 shmdt ，然后退出）。


先在另一个终端执行 ./shmctl -a ，然后在当前终端执行 ./shmctl -v （注意手速，5秒内要搞定）。

4.消息队列

消息队列本质上是位于内核空间的链表，链表的每个节点都是一条消息。每一条消息都有自己的消息类型，消息类型用整数来表示，而且必须大于 0.每种类型的消息都被对应的链表所维护，下图 展示了内核空间的一个消息队列：

其中数字 1 表示类型为 1 的消息，数字2、3、4 类似。彩色块表示消息数据，它们被挂在对应类型的链表上。值得注意的是，刚刚说过没有消息类型为 0 的消息，实际上，消息类型为 0 的链表记录了所有消息加入队列的顺序，其中红色箭头表示消息加入的顺序。

消息队列相关的函数
man 2 msgop

例题：程序 msg_send 和 msg_recv 分别用于向消息队列发送数据和接收数据。 msg_send 程序定义了一个结构体 Msg ，消息正文部分是结构体 Person 。该程序向消息队列发送了 10 条消息。


程序 msg_send 第一次运行完后，内核中的消息队列大概像下面这样：


先运行 ./msg_send ，再运行 ./msg_recv 。
接收所有消息:

接收类型为 4 的消息,这时要重新运行 ./msg_send :
接收类型小于等于 3 的所有消息,这是不用再运行 ./msg_send :

还有一个函数来操作消息队列内核对象的
man 2 msgctl

5.信号量

设置和获取信号量值的函数 semctl :
man 2 semctl

请求和释放信号量 semop
man 2 semop

例题：信号量操作 示例


例题：使用信号量实现父子进程之间的同步，防止父子进程抢夺 CPU 。



这里可以看到字符是成对出现的，如果大家修改程序把57行 sem_p(); 和64行 sem_v(); 注释掉，在编译运行会发现字符可能就不会成对出现了，这里就是用信号量来帮我们实现进程间的同步的。