實驗八 進程間通訊

• 2020 年 6 月 9 日
• 筆記

1. 管道通訊

• 匿名管道：

當進程使用 pipe 函數，就可以打開位於內核中的這個特殊「文件」。同時 pipe 函數會返回兩個描述
符，一個用於讀，一個用於寫。如果你使用 fstat 函數來測試該描述符，可以發現此文件類型為
FIFO 。而無名管道的無名，指的就是這個虛幻的「文件」，它沒有名字。

man 2 pipe

pipe 函數打開的文件描述符是通過參數（數組）傳遞出來的，而返回值表示打開成功（0）或失敗（-1）。
它的參數是一個大小為 2 的數組。此數組的第 0 個元素用來接收以讀的方式打開的描述符，而第 1 個元素用來接收以寫的方式打開的描述符。也就是說， pipefd[0] 是用於讀的，而 pipefd[1] 是用於寫的。
打開了文件描述符後，就可以使用 read(pipefd[0]) 和 write(pipefd[1]) 來讀寫數據了。

注意事項:
這兩個分別用於讀寫的描述符必須同時打開才行，否則會出問題。

如果關閉讀 ( close(pipefd[0]) ) 端保留寫端，繼續向寫端 ( pipefd[1] ) 端寫數據( write 函數)的進程會收到 SIGPIPE 訊號。
如果關閉寫 ( close(pipefd[1]) ) 端保留讀端，繼續向讀端 ( pipefd[0] ) 端讀數據( read 函數)， read 函數會返回 0.
例題：父進程 fork 出一個子進程，通過無名管道向子進程發送字元，子進程收到數據後將字元串中的
小寫字元轉換成大寫並輸出。

•  命名管道

1）通過命令mkfifo創建管道

man mkfifo

2）通過函數mkfifo(3)創建管道

man 3 mkfifo

FIFO文件的特性

a）查看文件屬性

當使用mkfifo創建hello文件後，查看文件資訊如下：

某些版本的系統在 hello 文件後面還會跟著個 | 符號，像這樣 hello |

b) 使用 cat 命令列印 hello 文件內容

接下來你的 cat 命令被阻塞住。

開啟另一個終端，執行：

然後你會看到被阻塞的 cat 又繼續執行完畢，在螢幕列印 「hello world」 。如果你反過來執行上面兩個命令，會發現先執行的那個總是被阻塞。

c) fifo 文件特性

根據前面兩個實驗，可以總結：
文件屬性前面標註的文件類型是 p ，代表管道
文件大小是 0
fifo 文件需要有讀寫兩端，否則在打開 fifo 文件時會阻塞
當然了，如果在 open 的時候，使用了非阻塞方式，肯定是不會阻塞的。特別地，如果以非阻塞寫的方式 open ，同時沒有進程為該文件以讀的方式打開，會導致 open 返回錯誤(-1)，同時 errno 設置成ENXIO .
例題：編寫兩個程式，分別是發送端 pipe_send 和接收端面 pipe_recv 。程式 pipe_send 從標準
輸入接收字元，並發送到程式 pipe_recv ，同時 pipe_recv 將接收到的字元列印到螢幕。

分別開啟兩個終端，分別運行 pipe_send 和 pipe_recv :

現在兩個終端都處於阻塞狀態，我們在運行 pipe_send 的終端輸入數據，然後我們就可以在運行
pipe_recv 的終端看到相應的輸出：

可以用組合按鍵結束上述兩個進程。

2. IPC 內核對象

每個 IPC 內核對象都是位於內核空間中的一個結構體。具體的對於共享記憶體、消息隊列和訊號量，他們在內核空間中都有對應的結構體來描述。當你使用 get 後綴創建內核對象時，內核中就會為它開闢一塊記憶體保存它。只要你不顯式刪除該內核對象，它就永遠位於內核空間中，除非你關機重啟。

進程空間的高 1G 空間（ 3GB-4GB ）是內核空間，該空間中保存了所有的 IPC 內核對象。上圖給出不同的 IPC 內核對象在記憶體中的布局（以數組的方式），實際作業系統的實現並不一定是數組，也可能是鏈表或者其它數據結構等等。每個內核對象都有自己的 id 號（數組的索引）。此 id 號可以被用戶空間使用。所以只要用戶空間知道了內核對象的 id 號，就可以操控內核對象了。
為了能夠得到內核對象的 id 號，用戶程式需要提供鍵值—— key ，它的類型是 key_t （ int 整型）。系統調用函數（ shmget , msgget 和 semget ）根據 key ，就可以查找到你需要的內核 id號。在內核創建完成後，就已經有一個唯一的 key 值和它綁定起來了，也就是說 key 和內核對象是一一對應的關係。（ key = 0 為特殊的鍵，它不能用來查找內核對象）

創建 IPC 內核對象

man 2 shmget

 man 2 msgget

man 2 semget

 在創建 IPC 內核對象時，用戶程式一定需要提供 key 值才行。實際上，創建 IPC 內核對象的函數和獲取內核對象 id 的函數是一樣的，都是使用 get 後綴函數。比如在鍵值 0x8888 上創建 ipc 內核對象，並獲取其 id ，應該像下面這樣：

// 在 0x8888 這個鍵上創建內核對象，許可權為 0644，如果已經存在就返回錯誤。
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); // 第二個參數表示創建 幾個訊號量

例題：程式 ipccreate 用於在指定的鍵值上創建 ipc 內核對象。使用格式為 ./ipccreate ，比如./ipccreate 0 0x8888 表示在鍵值 0x8888 上創建共享記憶體。

獲取 ipc 內核對象

程式 ipcget 用於在指定的鍵值上獲取 ipc 內核對象的 id 號。使用格式為 ./ipcget ，比如./ipcget 0 0x8888 表示獲取鍵值 0x8888 上的共享記憶體 id 號。

3. 共享記憶體

前面已經知道如何創建內核對象，接下來分別了解三種內核對象的操作：

man 2 shmop

man 2 shmctl

例題：編寫一個程式 shmctl 可以用來創建、刪除內核對象，也可以掛接、卸載共享記憶體，還可以列印、設置內核對象資訊。具體使用方法具體見下面的說明：

./shmctl -c : 創建內核對象。
./shmctl -d : 刪除內核對象。
./shmctl -v : 顯示內核對象資訊。
./shmctl -s : 設置內核對象（將許可權設置為 0600 ）。
./shmctl -a : 掛接和卸載共享記憶體（掛接 5 秒後，再執行 shmdt ，然後退出）。

先在另一個終端執行 ./shmctl -a ，然後在當前終端執行 ./shmctl -v

4. 消息隊列

消息隊列本質上是位於內核空間的鏈表，鏈表的每個節點都是一條消息。每一條消息都有自己的消類型，消息類型用整數來表示，而且必須大於 0.每種類型的消息都被對應的鏈表所維護，下圖 展示了內核空間的一個消息隊列：

其中數字 1 表示類型為 1 的消息，數字2、3、4 類似。彩色塊表示消息數據，它們被掛在對應類型鏈表上。值得注意的是，剛剛說過沒有消息類型為 0 的消息，實際上，消息類型為 0 的鏈表記錄了所有消息加入隊列的順序，其中紅色箭頭表示消息加入的順序。

消息隊列相關的函數

man 2 msgop

消息數據格式

無論你是發送還是接收消息，消息的格式都必須按照規範來。簡單的說，它一般長成下面這個樣子：

struct Msg{ 
long type; 
// 消息類型。這個是必須的，而且值必須 > 0，這個值被系統使用 
// 消息正文，多少位元組隨你而定
    // ... 
}

例題：程式 msg_send 和 msg_recv 分別用於向消息隊列發送數據和接收數據。 msg_send 程式定義了一個結構體 Msg ，消息正文部分是結構體 Person 。該程式向消息隊列發送了 10 條消息。

程式 msg_send 第一次運行完後，內核中的消息隊列大概像下面這樣：

msg_recv 程式接收一個參數，表示接收哪種類型的消息。比如 ./msg_recv 4 表示接收類型為 4 的消息，並列印在螢幕。

先運行 ./msg_send ，再運行 ./msg_recv 。
接收所有消息:

接收類型為 4 的消息,這時要重新運行 ./msg_send :

接收類型小於等於 3 的所有消息,這是不用再運行 ./msg_send :

還有一個函數來操作消息隊列內核對象的

man 2 msgctl

5. 訊號量

設置和獲取訊號量值的函數 semctl :
man 2 semctl

請求和釋放訊號量 semop

man 2 semop

struct sembuf { 
unsigned short sem_num; /* semaphore number */
short sem_op; /* semaphore operation */
short sem_flg; /* operation flags */
}

例題：訊號量操作示例

例題：使用訊號量實現父子進程之間的同步，防止父子進程搶奪 CPU 。

這裡可以看到字元是成對出現的，如果大家修改程式把57行 sem_p(); 和64行 sem_v(); 注釋掉，在編譯運行會發現字元可能就不會成對出現了，這裡就是用訊號量來幫我們實現進程間的同步的。