点击下载
本文文档

当前位置：首页 - 正文

实验三进程的管道通信实验

来源：动视网责编：小OO 时间：2025-09-27 03:26:11

实验三进程的管道通信实验

实验三进程的管道通信一、实验目的（1）了解什么是管道（2）熟悉UNIX/LINUX支持的管道通信方式二、实验学时4学时三、实验内容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：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）。四、实验指导一、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。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

推荐度：

点击下载本文 文档为doc格式

导读实验三进程的管道通信一、实验目的（1）了解什么是管道（2）熟悉UNIX/LINUX支持的管道通信方式二、实验学时4学时三、实验内容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：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）。四、实验指导一、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。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

实验三进程的管道通信

一、实验目的

（1）了解什么是管道

（2）熟悉UNIX/LINUX支持的管道通信方式

二、实验学时

4学时

三、实验内容

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：

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）。

四、实验指导

一、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。

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fd[0]

句柄fd[1]

读出端

写入端

二、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，本文只讲无名管道。

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

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，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。

三、所涉及的系统调用

1、pipe( )

建立一无名管道。

系统调用格式

pipe(filedes)

参数定义

int pipe(filedes);

int filedes[2];

其中，filedes[1]是写入端，filedes[0]是读出端。

该函数使用头文件如下：

#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

read(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read( )。

四、参考程序

#include

int pid1,pid2;

main( )

{

int fd[2];

char outpipe[100],inpipe[100];

pipe(fd); /*创建一个管道*/

while ((pid1=fork( ))= =-1);

if(pid1= =0)

{

lockf(fd[1],1,0);

sprintf(outpipe,"child 1 process is sending message!");

/*把串放入数组outpipe中*/

write(fd[1],outpipe,50); /*向管道写长为50字节的串*/

sleep(5); /*自我阻塞5秒*/

lockf(fd[1],0,0);

exit(0);

}

else

{

while((pid2=fork( ))= =-1);

if(pid2= =0)

{ lockf(fd[1],1,0); /*互斥*/

sprintf(outpipe,"child 2 process is sending message!");

write(fd[1],outpipe,50);

sleep(5);

lockf(fd[1],0,0);

exit(0);

}

else

{ wait(0); /*同步*/

read(fd[0],inpipe,50); /*从管道中读长为50字节的串*/

printf("%s/n",inpipe);

wait(0);

read(fd[0],inpipe,50);

printf("%s/n",inpipe);

exit(0);

}

五、运行结果

延迟5秒后显示

child 1 process is sending message!

再延迟5秒

child 2 process is sending message!

实验四进程间通信

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

4学时

三、实验内容

利用msgget( )、msgsnd( )、msgrcv( )、msgctl( )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、sem.c和shm.c等源码文件，熟悉Linux的三种机制。

五、实验步骤

利用msgget( )、msgsnd( )、msgrcv( )、msgctl( )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”。

server.c参考程序如下：

#include

#define MSGKEY 75

struct msgform

{

long mtype;

char mtext[1000];

}msg;

int msgqid;

void server()

{

msgqid=msgget(MSGKEY,0777|IPC_CREAT); /*创建75#消息队列*/

do

{

msgrcv(msgqid,&msg,1030,0,0); /*接收消息*/

printf("(server)received\\n");

}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

#define MSGKEY 75

struct msgform

{

long mtype;

char mtext[1000];

}msg;

int msgqid;

void client()

{

int i;

msgqid=msgget(MSGKEY,0777); /*打开75#消息队列*/

for(i=10;i>=1;i--)

{

msg.mtype=i;

printf("(client)sent\\n");

msgsnd(msgqid,&msg,1024,0); /*发送消息*/

}

exit(0);

}

main()

{

client();

}

将上述两个程序分别编译为server和client，并按以下方式执行：

./server &

ipcs –q

./client

Client和server分别发送和接收了10条消息。观察运行结果，注意发送方发送消息和接收方接收消息的顺序。

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

key：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

EEXIST：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

该函数使用头文件如下：

#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 mtext[100]; /* 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

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的和msgflg中指定IPC_NOWAIT标志，消息不能被发送

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msgrcv]

E2BIG：消息文本长度大于msgsz，并且msgflg中没有指定MSG_NOERROR

EACCES：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_NOWAIT

EFAULT：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(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 */

unsigned 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; /* 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; /* 权限位 */

unsigned short seq; /* 系列号 */

};

该函数使用头文件如下：

#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

任务4：并发进程间通过共享存储区实现数据传送

参考程序：

#include

#define SHMKEY 75

int shmid,i,p1,p2;

int *addr;

void CLIENT()/*发送过程*/

{

int i;

shmid=shmget(SHMKEY,1024,0777);/* 打开共享存储区*/

addr= (int *)shmat(shmid,0,0); /*获取共享存储区的首地址*/

for (i=29;i>=0;i--)

{

while (*addr!=-1);/*判断是否可写*/

*addr=i;/*写数据*/

printf("%d",*addr);

printf("(client)sent\\n");

}

exit(0);

}

void SERVER()/*接收进程*/

{

int i;

shmid=shmget(SHMKEY,1024,0777|IPC_CREAT); /*创建共享存储区*/

addr= (int *)shmat(shmid,0,0);

do

{

*addr=-1;

while (*addr==-1);/*判断信息是否传来*/

printf("%d",*addr+30); /*读，并加工数据*/

printf("(server)received\\n");

}while(*addr);

shmctl(shmid,IPC_RMID,0); /*撤消共享存储区，归还资源*/

exit(0);

}

main()

{

while ((p1=fork())==-1);/*父进程*/

if (p1==0) SERVER();/*子进程p1*/

while ((p2=fork())==-1); /*父进程*/

if (p2==0) CLIENT();/*子进程p2*/

wait(0); /*父进程*/

}

程序说明：

用主程序作为“引子”，先后fork()两个子进程，SERVER和CLIENT，让它们利用共享存储区的方式进行通信：

CLIENT端获取一个KEY为75的共享区，当共享区第一个字节的值为-1时，表示SERVER端空闲。这时CLIENT向共享区中填入要发送的数据，同时显示自己发送的数据，然后显示一句“(client)sent”。

SERVER端获取(如果还没有就创建)一个KEY为75的共享存储区，并将第一个字节置为-1，作为数据空的标志，等待其他进程发来的消息。当该字节的值发生变化时，表示收到了信息，SERVER取得该数据，进行处理，然后将处理结果显示出来，再显示一句“(server)received”。

发送和接收的过程循环进行30次。

父进程在SERVER和CLIENT均退出后结束。

涉及到的系统调用：

1、shmget( )

用于创建（或者获取）一个由key键值指定的共享内存对象，返回该对象的系统标识符：shmid；

系统调用格式：

shmid=shmget(key,size,flag)

该函数使用头文件如下：

#include

参数定义

int shmget(key,size,flag);

key_t key;

int size,flag;

其中，key是共享存储区的名字；size是其大小（以字节计）；flag是用户设置的标志，如IPC_CREAT。IPC_CREAT表示若系统中尚无指名的共享存储区，则由核心建立一个共享存储区；若系统中已有共享存储区，便忽略IPC_CREAT。

2、shmat( )

共享存储区的附接。从逻辑上将一个共享存储区附接到进程的虚拟地址空间上。用于建立调用进程与由标识符shmid指定的共享内存对象之间的连接。

系统调用格式：

virtaddr=shmat(shmid,addr,flag)

该函数使用头文件如下：

#include

参数定义

char *shmat(shmid,addr,flag);

int shmid; /*SHM标识符*/

char *addr; /*相当于偏移量*/

int flag; /*标志*/

其中，shmid是共享存储区的标识符；addr是用户给定的，将共享存储区附接到进程的虚地址空间；flag规定共享存储区的读、写权限，以及系统是否应对用户规定的地址做舍入操作。其值为SHM_RDONLY时，表示只能读；其值为0时，表示可读、可写；其值为SHM_RND（取整）时，表示操作系统在必要时舍去这个地址。

该系统调用的作用是将共享内存附接到进程的数据段上。实际上是将共享内存在主存中的地址+addr后赋值给进程中的某一指针。addr相当于偏移量,相对于共享内存在主存中的起始地址。返回值是共享存储区所附接到的进程虚地址virtaddr。调用失败时返回(char*)-1。

3、shmdt( )

用于断开调用进程与共享内存对象之间的连接,成功时返回0,失败时返回-1。

系统调用格式：

int shmdt(shmaddr)

char *shmaddr;/*采用shmat函数的返回值*/

4、shmctl( )

共享存储区的控制，对其状态信息进行读取和修改。用于对已创建的共享内存对象进行查询、设置、删除等操作。

系统调用格式：

shmctl(shmid,cmd,buf)

该函数使用头文件如下：

#include

参数定义

int shmctl(shmid,cmd,buf);

int shmid; /*由shmget获取的SHM的标识符*/

int cmd; /*将对SHM进行的控制命令*/

struct shmid_ds *buf; /*存放操作数*/

其中，buf是用户缓冲区地址，cmd是操作命令。命令可分为多种类型：

（1）用于查询有关共享存储区的情况。如其长度、当前连接的进程数、共享区的创建者标识符等；

（2）用于设置或改变共享存储区的属性。如共享存储区的许可权、当前连接的进程计数等；

（3）对共享存储区的加锁和解锁命令；

（4）删除共享存储区标识符等。

作用是对共享内存进行由cmd指定的控制操作。cmd的值比较有用的是下面两个:

IPC_SET 对于规定的shmid,设置有效用户和组标识及操作权限。

IPC_RMID 连同其相关的SHM段数据结构一起,删除规定的shmid。执行IPC_SET或IPC_RMID的进程必须具有Owner/Creator或超级用户的有效用户标识。

系统创建的SHM仅仅是内存中一块连续的区域,本身并没有结构。用户进程对共享内存不能直接进行存取,需要将共享内存附接在进程的数据段上,进程才能对其进行存取,实现方法是:用户进程可以根据需要自行定义一个数据结构(如pidtos),然后将共享内存的地址用函数shmat赋值给指向结构pidtos的指针buf,相当于是给指针变量分配内存,让buf指向共享内存的起始处。然后就可用数组的方法,按数据结构的长度等分共享内存。这个过程可称之为共享内存的"结构化"。

运行程序，观察运行结果，并分析。

四．思考题

进程的高级通信有哪几种类型？

实验三进程的管道通信实验

实验三进程的管道通信一、实验目的（1）了解什么是管道（2）熟悉UNIX/LINUX支持的管道通信方式二、实验学时4学时三、实验内容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：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）。四、实验指导一、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。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

推荐度：

点击下载本文 文档为doc格式