2009操作系统实验指导书Vmware版 - 图文

实验4进程通信

一、实验目的

1、加深理解进程通信的方法与原理；

2、掌握如何利用管道机制、消息缓冲队列、共享存储区机制进行进程间的通信。

二、实验内容 1、了解系统调用pipe()、msgget()、msgsnd()、msgrcv()、msgctl()、shmget()、shmat()、shmdt()、shmctl()的功能和实现过程。

2、编写一C语言程序，使其用管道来实现父子进程间通信。子进程向父进程发送字符串“is sending a message to parent!”；父进程则从管道中读出子进程发来的消息，并将其显示到屏幕上，然后终止。

3、运行该程序，观察、记录并简单分析其运行结果。

三、有名管道、无名管道系统调用 1、创建无名管道的系统调用 创建无名管道的系统调用：pipe() 格式 返回值 参数说明 功能 int pipe(int 管道名[2]); 0 1 正确返回 错误返回 管道名[1]：为写入端 管道名[2]：为读出端 创建一个管道名为指定名称的无名管道，以便于创建管道的进程及其子孙进程共享 头文件 include ? 当进程向管道中写时，数据就复制不予考虑了共享的数据页； ? 从管道中读时，字节从共享页中按照FIFO的顺序复制出来。

? 当所有进程完成管道的操作后，管道的i结点和共享数据页被释放。

进程A的file结构i结点finodefop文件操作函数read、write等fp[1]父子进程write(fp[1],buf,size)finodefop文件操作函数read、write等fp[0]read(fp[0],buf,size)父子进程进程B的file结构数据页pipe(fp)图：管道的实现与父子进程的读写操作

2、读写管道的系统调用 读写管道的系统调用：write()、read() 格式 write(管道名[1], buf, size) 8

read(管道名[0], buf, size) 参数说明 说明 buf：程序中定义的字符型数组或缓冲区； size：读写的信息长度 管道为临界资源，父子进程之间除了需要读写同步以外，在对管道进行读写操作时还需要互斥进入。 为了保证管道操作过程中不至于因为用户的疏忽而死锁，Linux采用以下措施来避免死锁： ? 当进程因读或写等待时，要检查管道的另一端是否已经关闭，如果发现对方已经关闭则

直接返回，不再等待。

? 当进程关闭管道时，要检查管道的另一端是否正处于等待状态，如果是，则要先唤醒对

方，然后再关闭管道。

? 如果进程需要实现互斥，因为管道是文件，可以使用对文件上锁和开锁的系统调用。

3、文件上锁、开锁系统调用 文件上锁、开锁系统调用：lockf() 格式 lockf(files, function, size) files 参数说明 function size 是需要加以封锁的文件描述符，此处可以是管道的读写端口 为1表示上锁，为0表示开锁 表示锁定或开销的字节数，其值为0则表示文件全部内容

4、命名管道创建系统调用 命名管道创建系统调用：mkfifo() 格式 功能 返回值 头文件 int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode); 专门用于创建FIFO 权限值，如0777表示所有用户都可读、可写、可执行 正确返回0，错误返回-1. #include #include 参数说明 mode mknod用于创建一般的设备文件

四、Linux消息缓冲通信的系统调用

1、创建一个消息队列或获取已存在消息队列的标识 创建消息队列/获取已存在消息队列的系统调用：msgget() 命令格式 int msgget(key_t key, int msgflag); 功能 返回值 创建标识为key值的消息队列或者获取已存在的消息队列的描述符msgid 正确返回该消息队列的描述符msgid； 错误返回－1。 msgqid 参数说明 key flag 头文件 9

语句格式 msgid=msgget (key, msgflag)； 该系统调用返回的消息队列描述符，-1表示失败； 用户指定的消息队列标识符，为一正整数，其值可以由用户指定，如果使用IPC_PRIVATE则由系统产生key值； 用户设置的标志或访问方式，其值由操作权限和控制命令进行或运算得到 #include #include 操作允许权 八进制数 操作允许权 八进制数 用户可读 0400 小组可写 0020 用户可写 0200 其他可读 0004 小组可读 0040 其他可写 0002 控制命令 值 IPC_CREAT （创建） 0001000 2、发送一条消息到指定的消息队列 发送一条消息到指定的消息队列系统调用：msgsnd() 命令格式 int msgsnd(int msgid, struct msgbuf* msgp, int size, int flag); 功能 发送一个消息给指定描述符的消息队列。将msgp所指向的msgbuf中的消息复制到消息数据结构并挂到指定消息队列尾，唤醒等待消息的进程 msgqid msgp 参数说明 size flag 执行msgget()返回的消息队列的描述符 指向用户存储区的一个消息缓冲msgbuf的指针，在msgbuf中包含消息类型和消息正文 由msgp指向的数据结构中字符数组的长度（消息长度） 规定当核心用尽内部空间时应执行的动作。 例如：若在flag中设置了IPC_NOWAIT，则当消息队列中的字节数超过最大值msgsnd立即返回，否则msgsnd睡眠。flag可置0。 头文件 #include #include 3、从消息队列接收消息 从消息队列接收消息的系统调用：msgrcv() 命令格式 int msgrcv( int msgid, struct msgbuf* msgp, int size, int type, int flag); 功能 从指定的消息队列接收一个消息。将消息复制到msgp所指的msgbuf中，从消息队列中删除此消息，若消息未到则调用进程阻塞，并将该进程插入等待消息队列尾。 msgid 消息队列描述符； msgp size 参数说明 type 用来存放要接收消息的用户msgbuf的地址； msgp中数据数组的大小； =0 表示接收队列的第一个消息； 用户要读取的消息类型 >0 表示接收类型type的第一个消息； <0 表示接收小于或等于|type|的最低类型的第一个消息 flag 头文件 规定若该队列无消息，操作系统核心应当做什么，可设置为0. #include #include 4、对消息队列的操作 对消息队列操作的系统调用：msgctl() 命令格式 int msgctl( int msgid, int cmd, struct msgid_ds *buf ); 功能 返回值 查询一个消息队列的状态；设置或修改它的状态；撤消一个消息队列 函数调用成功返回0；不成功返回-1. 10

参数说明 msgid 该消息队列的描述符； cmd 规定命令的类型 ? IPC_STAT查询消息队列状态，将与msgid相关联的消息队列首标读入buf； ? IPC_SET设置或修改消息队列状态，设置有效用户、组标识、操作允许权，及字节数； ? IPC_RMID撤消描述符为msgid的消息队列； 含有控制参数或查询结果的用户缓冲区的地址，可设置为0 buf 头文件 #include #include 注意：设置和撤消消息队列的进程需要有一定的权限，如超级用户、具有有效用户ID、符合msg_perm权限设置等。

四、共享内存通信的系统调用 1、创建或获取一个共享内存 创建/获取一个共享内存的系统调用：shmget() 命令格式 shmget(key, size, flag); 功能 说明 获得一个内部标识为shmid的共享存储区 该函数创建的共享内存区域并没有立即分配物理内存，而是创建一个文件对象shm_file来描述该区域。Shm_file文件并不属于磁盘文件，而是由内存页面组成，因此当系统亲面时，其中的内容也随之消失。 共享存储区关键字，可以由用户指定，如果使用IPC_PRIVATE，则其值由系统产生。 存储区的大小（字节数）。如果存储区定义为字符型，则大小为定义的字符个数；如果存储区定义为整型，大小可以使用sizeof(int)加以定义。 用户设置的标志或访问方式，与消息缓冲shmget中的含义相同。可以使用066|IPC_CREAT，表示任意进程可读可写。 语句格式 int shmid=int shmget(key_t key, int size, int flag); key 参数说明 size flag 返回值 头文件 正确时返回共享存储区的内部标识符shmid，错误时返回-1。 #include #include 2、将共享内存附接到进程的虚拟地址空间 将共享内存附接到进程虚拟地址空间的系统调用：shmat() 命令格式 功能 语句格式 字符型共享内存 数值型共享内存 字符型共享内存 数值型共享内存 shmid shmaddr 参数说明 shmflag shmat(int shmid, char *shmaddr, int msgflg, ulong *raddr); shmat(int shmid, int *shmaddr, int msgflg, ulong *raddr); viraddr=(char*) shmat(shmid, shmaddr, shmflag); viraddr=(int*) shmat(shmid, shmaddr, shmflag); 逻辑上将内部标识符为shmid的共享存储区附接到进程的虚拟地址空间shmaddr 共享存储区的描述符，可以由shmget()的返回值得到。 用户提供的共享存储区附接的虚地址。若shmaddr为0，则由系统选择一个适当的地址来附接该存储区。 规定了对该存储区的操作权限，以及系统是否要对用户规定的地址执行舍去操作。如果shmflag中设置了SHM_RND，则表示操作系统在必要时舍去这个地址；如果设置SHM_RDONLY则表示只允许读，11

shmflag为0表示可读可写。 viraddr 返回值 头文件 附接的虚地址。若定义为char *viraddr，则该共享内存作为字符存储区使用；若定义为int *viraddr，则该共享内存作为整型存储区使用。 正确时返回共享存储区附接后的虚地址，错误时返回-1。 #include #include 3、将共享内存从进程的地址空间断开 将共享内存从进程地址空间断开的系统调用：shmdt() 命令格式 shmdt(viraddr); 功能 返回值 头文件 将一个共享存储区从指定进程的虚拟地址空间断开 正确时返回0，错误时返回-1。 #include #include 参数说明 viraddr 系统调用shmat()所返回的虚地址 4、对共享内存的操作 对共享内存操作的系统调用：shmget() 命令格式 功能 shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf) 对与共享存储区关联的各种参数进行操作，从而对共享存储区进行控制，包括删除共享存储区 shmid 共享存储区的内部标识符，由shmget()调用返回 buf 用户级数据结构地址，其结构类型与系统定义的shmid_ds一致,可以用0 规定操作的类型。其规定如下： ? IPC_STAT：返回包含在指定的shmid相关数据结构中的状态信息，并把它放置在用户存储区中的*buf指针所指的数据结构中。执行此命令的进程必须有读取允许权。 ? IPC_SET：对于指定的shmid，为它设置有效用户和小组标识符和操作存取权。 ? IPC_RMID：删除指定的shmid以及与它相关的共享存储区的数据结构。 ? SHM_LOCK：在内存中锁定指定的共享存储区，必须是超级用户才可以进行此项操作。 参数说明 cmd 返回值 头文件 正确时返回0，错误时返回-1。 #include #include 与消息缓冲类似，对于共享内存的删除也要有权限，如超级用户进程等，所以上机实习时应该使用root登录。

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