进程通信实验

发表于 2019-11-24 更新于 2024-07-04 分类于实验，技术，操作系统内核阅读次数： Waline：本文字数： 2.4k 阅读时长 ≈ 9 分钟

实验目的

通过几则进程通信的例子，理解进程的同步机制，理解锁、信号量在同步编程的重要地位。

步骤

解压给定程序包得到代码文件
运行 Makefile 编译所有代码文件
依次运行每个目标文件，观察它的执行现象

实验关键里程碑数据与结果

文件共享实验 (consumer & producer)

通过阅读源码得知，consumer 和 producer 共用了一个 data.dat 文件，其中 producer 向其写入内容

1	write(fd, DataString, strlen(DataString)); /* populate data file */

其中 DataString 是我们写入的文字内容。 consumer 从中读出内容并写入到标准输出 stdout 中

/* Read the bytes (they happen to be ASCII codes) one at a time. */
int c; /* buffer for read bytes */
while (read(fd, &c, 1) > 0)    /* 0 signals EOF */
write(STDOUT_FILENO, &c, 1); /* write one byte to the standard output */

为了增强理解，我将 DataString 修改为了 “2017****** xxx (名字和学号已打码)”，data.dat 中的原来内容做如下修改

然后重新编译程序。

接下来，先运行 consumer，以验证 data.dat 中的内容未修改。运行一次 producer，我们的 datastring 被写入到 data.dat 中，由于 producer 指定了开始指针为 0（文件中的第一个字节），所以我们的字符串从第一个字节开始，修改了原来 data.dat 中的内容，再调用 consumer，就会显示此时文件的内容已被我们修改。

看上去是简单的文件写入和读取操作，实际上还有一些额外的工作

producer.c
consumer.c

首先设定读 / 写锁。

1 2	struct flock lock; lock.l_type = F_WRLCK; /* read/write (exclusive versus shared) lock */

然后试图打开文件。

1 2	if ((fd = open(FileName, O_RDWR \| O_CREAT, 0666)) < 0) /* -1 signals an error */ report_and_exit("open failed...");

并为它加锁（不阻塞）。

1 2	if (fcntl(fd, F_SETLK, &lock) < 0) / F_SETLK doesn't block, F_SETLKW does / report_and_exit("fcntl failed to get lock...");

在文件写入结束后，释放锁。

1
2
3

lock.l_type = F_UNLCK;
if (fcntl(fd, F_SETLK, &lock) < 0)
report_and_exit("explicit unlocking failed...");

在 consumer.c 中，锁的类型仍然是读 / 写锁。

1 2	struct flock lock; lock.l_type = F_WRLCK; /* read/write (exclusive) lock */

然后试图打开文件。

1 2	if ((fd = open(FileName, O_RDONLY)) < 0) /* -1 signals an error */ report_and_exit("open to read failed...");

文件被加写锁时，不能从中读出内容。

/* If the file is write-locked, we can't continue. */
fcntl(fd, F_GETLK, &lock); /* sets lock.l_type to F_UNLCK if no write lock */
if (lock.l_type != F_UNLCK)
report_and_exit("file is still write locked...");

读出内容时，要加读锁。

1
2
3

lock.l_type = F_RDLCK; /* prevents any writing during the reading */
if (fcntl(fd, F_SETLK, &lock) < 0)
report_and_exit("can't get a read-only lock...");

读出结束后，释放锁。

/* Release the lock explicitly. */
lock.l_type = F_UNLCK;
if (fcntl(fd, F_SETLK, &lock) < 0)
report_and_exit("explicit unlocking failed...");

手动释放锁即使失败，close(fd) 和 return 0 也可以释放掉进程。

内存共享实验 (memwriter & memreader)

通过源码得知，memwriter 和 memreader 共用了 /dev/shm 内的一块空间，由 writer 向其中写入内容，reader 向外读出并写入 stdout 中。

在 memwriter 启动的一瞬间，/dev/shm/ 下会多出一个叫 shMemEx 的文件，写入的内容就暂存在那个文件里。读出时也从那个文件中读出内容。Memwriter 和 memreader 的正确工作要依靠计数信号量（semaphore），具体来说：

memwriter 中，semptr 的初始值为 0，如果 semptr 的值为 - 1，那么程序退出。

/* semphore code to lock the shared mem */
sem_t* semptr = sem_open(SemaphoreName, /* name */
		   O_CREAT,       /* create the semaphore */
		   AccessPerms,   /* protection perms */
		   0);            /* initial value */
if (semptr == (void*) -1) report_and_exit("sem_open");

在 strcpy 将 contents 拷贝到内存后，sem_post 增加信号量的值（+1），如果 semptr 的值还是 - 1，那么程序退出。

1 2	/* increment the semaphore so that memreader can read */ if (sem_post(semptr) < 0) report_and_exit("sem_post");

memreader 中，semptr 的初始值还是 0。当 semptr 不为 0 时，将 memcontents 的内容全部逐字读出。每次 sem_wait 都将使信号量的值 - 1。

/* use semaphore as a mutex (lock) by waiting for writer to increment it */
if (!sem_wait(semptr)) { /* wait until semaphore != 0 */
	int i;
	for (i = 0; i < strlen(MemContents); i++)
	  write(STDOUT_FILENO, memptr + i, 1); /* one byte at a time */
	sem_post(semptr);
}

管道通信实验 (fifoWriter & fifoReader)

fifoWriter 和 fifoReader 共享了一个管道文件 fifoChannel，fifoWriter 向其中写入若干随机数，fifoReader 读文件并判断其中质数的多少。

与实验 3.2 不同的是，当同时运行此实验的 writer 和 reader 时，一定是 writer 先结束后，Reader 才会有结果显示。当事先没有 writer 的写入时，reader 会直接退出（因为没有管道文件）。运行一瞬间产生的管道文件会在写入完成后消失（源代码中写完就 close 了）。

写进程以只写模式打开管道文件。

1	int fd = open(pipeName, O_CREAT \| O_WRONLY); /* open as write-only */

读进程以只读模式打开管道文件。

1	int fd = open(file, O_RDONLY);

从而分时占用了文件。

信号量互斥实验 (shutdown)

运行结果如下

这是啥意思呢？

结合源码得知，主进程运行到 fork 后分开为两个进程，父进程调用 parent_code 并阻塞，调用 sleep(5) 睡眠 5 秒，等待子进程退出。(这可以解释为什么 main 打印了一遍，而 main…2 和 main…3 被打印了两遍的原因 ——main…2 和 main…3 都在 fork 调用之后) 然后，子进程从 fork 开始继续运行，进入了 child_code，child_code 中，注册了 SIGTERM（id=15）为其处理信号。然后，尝试先调用 sleep(1)，睡眠 1 秒，然后输出 "Child just woke up, but going back to sleep"。5 秒过后主进程醒了，继续运行 parent_code，其调用了 kill 来杀死子进程，（所以上述信息输出了 4 次）子进程接收到信号后，打印出信号 id 并执行相应的处理函数。待子进程调用_exit(0) 返回内核后，父进程也退出，整个程序运行结束。

队列通信实验 (sender & receiver)

通过观察源码得知，此部分实验运用了消息队列函数 msgget、msgsnd、msgrcv、msgctl，它们所需要的头文件为 <sys/types.h>、<sys/ipc.h> 和 <sys/msg.h>。sender 以队列形式发出了六条信息 "msg1"、 “msg2”、 “msg3”、 “msg4”、 “msg5”、 “msg6”，msg1 和 2 是类型 1 的，3 和 4 是类型 2 的，5 和 6 是类型 3 的。Receiver 以与发送方不同的类型顺序接收，具体来说，按照 3→1→2→1→3→2 的顺序，实际运行结果如下

仍然可以正确地接收信息，而且队列内部的顺序是 “先来先接收” 的。比如 msg1 在 type1 中先于 msg2 发送，那么接收时也是 msg1 比 msg2 先接送。

当 msg 接收完成后，它就从队列中被移除，这也是为什么再次运行 receiver 后接受失败的原因。

server.c

#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/tcp.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "sock.h"

void report(const char* msg, int terminate) {
  perror(msg);
  if (terminate) exit(-1); /* failure */
}

int main() {
  int fd = socket(AF_INET,     /* network versus AF_LOCAL */
		  SOCK_STREAM, /* reliable, bidirectional: TCP */
		  0);          /* system picks underlying protocol */
  if (fd < 0) report("socket", 1); /* terminate */

  /* bind the server's local address in memory */
  struct sockaddr_in saddr;
  memset(&saddr, 0, sizeof(saddr));          /* clear the bytes */
  saddr.sin_family = AF_INET;                /* versus AF_LOCAL */
  saddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); /* host-to-network endian */
  saddr.sin_port = htons(PortNumber);        /* for listening */

  if (bind(fd, (struct sockaddr *) &saddr, sizeof(saddr)) < 0)
    report("bind", 1); /* terminate */

  /* listen to the socket */
  if (listen(fd, MaxConnects) < 0) /* listen for clients, up to MaxConnects */
    report("listen", 1); /* terminate */

  fprintf(stderr, "Listening on port %i for clients...\n", PortNumber);
  /* a server traditionally listens indefinitely */
  while (1) {
    struct sockaddr_in caddr; /* client address */
    int len = sizeof(caddr);  /* address length could change */

    int client_fd = accept(fd, (struct sockaddr*) &caddr, &len);  /* accept blocks */
    if (client_fd < 0) {
      report("accept", 0); /* don't terminated, though there's a problem */
      continue;
    }

    /* read from client */
    int i;
    for (i = 0; i < ConversationLen; i++) {
      char buffer[BuffSize + 1];
      memset(buffer, '\0', sizeof(buffer));
      int count = read(client_fd, buffer, sizeof(buffer));
      if (count > 0) {
	puts(buffer);
	write(client_fd, buffer, sizeof(buffer)); /* echo as confirmation */
      }
    }
    close(client_fd); /* break connection */
  }  /* while(1) */
  return 0;
}

client.c

#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/tcp.h>
#include <netdb.h>
#include "sock.h"

const char* books[] = {"War and Peace",
		       "Pride and Prejudice",
		       "The Sound and the Fury"};

void report(const char* msg, int terminate) {
  perror(msg);
  if (terminate) exit(-1); /* failure */
}

int main() {
  /* fd for the socket */
  int sockfd = socket(AF_INET,      /* versus AF_LOCAL */
		      SOCK_STREAM,  /* reliable, bidirectional */
		      0);           /* system picks protocol (TCP) */
  if (sockfd < 0) report("socket", 1); /* terminate */

  /* get the address of the host */
  struct hostent* hptr = gethostbyname(Host); /* localhost: 127.0.0.1 */
  if (!hptr) report("gethostbyname", 1); /* is hptr NULL? */
  if (hptr->h_addrtype != AF_INET)       /* versus AF_LOCAL */
    report("bad address family", 1);

  /* connect to the server: configure server's address 1st */
  struct sockaddr_in saddr;
  memset(&saddr, 0, sizeof(saddr));
  saddr.sin_family = AF_INET;
  saddr.sin_addr.s_addr =
     ((struct in_addr*) hptr->h_addr_list[0])->s_addr;
  saddr.sin_port = htons(PortNumber); /* port number in big-endian */

  if (connect(sockfd, (struct sockaddr*) &saddr, sizeof(saddr)) < 0)
    report("connect", 1);

  /* Write some stuff and read the echoes. */
  puts("Connect to server, about to write some stuff...");
  int i;
  for (i = 0; i < ConversationLen; i++) {
    if (write(sockfd, books[i], strlen(books[i])) > 0) {
      /* get confirmation echoed from server and print */
      char buffer[BuffSize + 1];
      memset(buffer, '\0', sizeof(buffer));
      if (read(sockfd, buffer, sizeof(buffer)) > 0) puts(buffer);
    }
  }
  puts("Client done, about to exit...");
  close(sockfd); /* close the connection */
  return 0;
}