1、1实验三 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2 学时三、实验内容1. 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：Child 1 is sending a message!Child 2 is sending a message!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） 。2.利用 msgget( )、msgsnd( )、msgrcv( )、msgctl
2、( )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、
3、sem.c 和 shm.c 等源码文件，熟悉 Linux 的三种机制。五、实验步骤实验1：（1）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。2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 fd0句柄 fd1读出端 写入端（2）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
4、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，本实验只讲无名管道。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
5、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，并进行读/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。（3）所涉及的系统调用 31、pipe( )建立一无名管道。系统调用格式pipe(filedes)参数定义int pipe(filedes);int filedes2;其中，filedes1 是写入端，filedes0 是读出端。该函数使用头文
6、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write(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 re
7、ad( )。（4）参考程序#include 4#include #include int pid1,pid2;main( )int fd2;char outpipe100,inpipe100;pipe(fd); /*创建一个管道 */while (pid1=fork( )=-1);if(pid1=0)lockf(fd1,1,0); /*互斥*/sprintf(outpipe,“child 1 process is sending message!“);/*把串放入数组 outpipe 中*/write(fd1,outpipe,50); /*向管道写长为 50 字节的串*/sleep(5); /
8、*自我阻塞 5 秒*/lockf(fd1,0,0);exit(0);elsewhile(pid2=fork( )=-1);if(pid2=0) lockf(fd1,1,0); /*互斥*/sprintf(outpipe,“child 2 process is sending message!“);write(fd1,outpipe,50);sleep(5);lockf(fd1,0,0);exit(0);else wait(0); /*同步*/5read(fd0,inpipe,50); /*从管道中读长为 50 字节的串 */printf(“%s/n“,inpipe);wait(0);read(
9、fd0,inpipe,50);printf(“%s/n“,inpipe);exit(0);（5）请写出运行结果，分析原因并完成下述思考题。1、程序中的sleep(5) 起什么作用？ 2、子进程 1 和 2 为什么也能对管道进行操作？实验2：(1)涉及到的系统调用：1、msgget( )系统调用格式int msgget(key_t key, int msgflg);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k
10、ey：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 6EEXIST：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
11、下：#include #include #include 2、msgsnd( )和 msgrcv( )系统调用格式int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);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
12、的消息，是一个用户可定义的通用结构，形态如下struct msgbuf long mtype; /* 消息类型，必须 0 */char mtext100; /* 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
13、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 7#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
14、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 msgrcvE2BIG：消息文本长度大于 msgsz，并且 msgflg 中没有指定 MSG_NOERROREACCES：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_NOWAITEFAULT：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
15、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int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_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
16、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8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
17、类型造型成msqid_ds，msginfo 定义于，下面列出它的原型：struct msginfo int msgpool; /* 用于保存消息数据的缓冲池大小，字节为单位，尚未被使用 */int msgmap; /* 消息映射中的最大入口，尚未被使用 */int msgmax; /* 能够写入单个消息的最大字节数 */int msgmnb; /* 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 */int msgmni; /* 系统允许的最大消息队列数 */int msgssz; /* 消息段大小，尚未被使用 */int msgtql; /* 队列上能够存
18、放的最大消息数，尚未被使用 */unsigned short int msgseg; /* 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
19、个消息队列的元数据，下面给出它的原型：struct msqid_ds struct ipc_perm msg_perm; /* 队列的属主和权限 */time_t msg_stime; /* 最后一次 msgsnd()操作的时间 */time_t msg_rtime; /* 最后一次 msgrcv()操作的时间 */time_t msg_ctime; /* 最后一次队列改变的时间 */9unsigned long _msg_cbytes; /* 当前队列上包含的字节数 */msgqnum_t msg_qnum; /* 当前队列上包含的消息数 */msglen_t msg_qbytes; /*
20、队列上允许的最大字节数 */pid_t msg_lspid; /* 最后一次执行 msgsnd()的进程标识 */pid_t msg_lrpid; /* 最后一次执行 msgrcv()的进程标识 */;ipc_perm 结构定义在，原型如下：struct ipc_perm key_t key; /* 提供给 msgget()的键 */uid_t uid; /* 属主的有效 UID */gid_t gid; /* 属主的有效 GID */uid_t cuid; /* 建立者的有效 UID */gid_t cgid; /* 建立者的有效 GID */unsigned short mode; /*
21、权限位 */unsigned short seq; /* 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server.c 参考程序如下：#include
22、 10#include #include #include #include #define MSGKEY 75struct msgformlong mtype;char mtext1000;msg;int msgqid;void server()msgqid=msgget(MSGKEY,0777|IPC_CREAT); /*创建 75#消息队列*/domsgrcv(msgqid, /*接收消息*/printf(“(server)receivedn“);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 #define MSGKEY 75struct msgform
