实验八进程间的通信教程
项目内容这个作业属于哪个课程Linux系统与应用这个作业的要求在哪里实验八作业要求学号-姓名18043131-王真旭作业学习目标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.举例说明使用匿名管道进行进程通信。
管道通信
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。
<pre class="codeblock">```
man 2 pipe
<pre class="codeblock">```
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。
<pre class="codeblock">```
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。
<pre class="codeblock">```
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.
例题：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。
2.举例说明使用 mkfifo 命令创建命名管道以及简单演示管道如何工作。
命名管道
1.通过命令 mkfifo 创建管道
<pre class="codeblock">```
man mkfifo
2.通过函数 mkfifo(3) 创建管道
<pre class="codeblock">```
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：
某些版本的系统在 hello 文件后面还会跟着个 | 符号，像这样 hello|
b) 使用 cat 命令打印 hello 文件内容
可以看到cat已经被堵塞了。
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：
(1)文件属性前面标注的文件类型是 p ，代表管道
(2)文件大小是 0
(3)fifo 文件需要有读写两端，否则在打开 fifo 文件时会阻塞
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.
3.编写两个程序使用第2题中创建的管道进行通信。
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，在运行pipe\_send的终端输入数据，然后就可以在运行的pipe\_recv的终端看到相应的输出
4.编写两个程序分别通过指定的键值创建 IPC 内核对象，以及获取该指定键值的 IPC 内核对象。
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
<pre class="codeblock">```
<pre class="codeblock">```
<pre class="codeblock">```
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。
比如在键值 0x8888 上创建 ipc 内核对象， 并获取其 id ，应该像下面这样:
<pre class="codeblock">```
// 在 0x8888 这个键上创建内核对象，权限为 0644，如果已经存在就返回错误。
int id = shmget(0x8888, 4096, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0644);
int id = msgget(0x8888, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0644);
int id = semget(0x8888, 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0644);
// 第二个参数表示创建几个信号量
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。
5.编写一个程序可以用来创建、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。
前面已经知道如何创建内核对象，接下来分别了解三种内核对象的操作：
<pre class="codeblock">```
man 2 shmop
<pre class="codeblock">```
man 2 shmct1
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：
<pre class="codeblock">```
./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(5s内)立即在当前终端执行 ./shmctl -v
先在另一个终端执行 ./shmctl -a ，运行结束后，然后在当前终端执行 ./shmctl -v
**6.编写两程序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。**
**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
```
**消息数据格式**
无论你是发送还是接收消息，消息的格式都必须按照规范来。简单的说，它一般长成下面这个样子：
```
```
struct Msg{
long type; // 消息类型。这个是必须的，而且值必须 > 0，这个值被系统使用
// 消息正文，多少字节随你而定
// ...
}
```
**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：
msg\_recv 程序接收一个参数，表示接收哪种类型的消息。比如 ./msg\_recv 4 表示接收类型为 4 的消息，并打印在屏幕。
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
```
**7.编写程序举例说明信号量如何操作。**
**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
```
```
```
struct sembuf {
unsigned short sem_num; /* semaphore number */
short sem_op; /* semaphore operation */
short sem_flg; /* operation flags */
}
```
**例题：信号量操作 示例**
**8.编写程序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 。**
**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，如果修改程序把63行 sem\_p(); 和70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。
