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一、设计目的、意义
(1)加深对进程概念的理解，明确进程和程序的区别。
(2)进一步认识并发执行的实质。
(3)分析进程竞争资源现象，学习解决进程互斥的方法。
(4)了解Linux系统中进程通信的基本原理。
(5)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、设计分析
(1)进程的创建
编写一段源程序，使系统调用fork()创建两个子进程，当此程序运行时，在系统中有一个父进程和两个子进程活动。让每一个进程在屏幕上显示一个字符：父进程显示字符“a”;子进程分别显示字符“b”和字符“c”.
(2)进程的控制
修改已编写的程序，将每个进程输出一个字符改为每个进程输出一句话.如果在程序中使用调用lockf()来给每一个子进程加锁，可以实现进程之间的互斥.
（3）①编写一段程序，使其现实进程的软中断通信。要求：使用系统调用fork()创建两个子进程，再用系统调用signal()让父进程捕捉键盘上来的中断信号（即按DEL键）；当捕捉到中断信号后，父进程用系统调用Kill()向两个子进程发出信号，子进程捕捉到信号后分别输出下列信息后终止：
Child Processll is Killed by Parent!
Child Processl2 is Killed by Parent!
父进程等待两个子进程终止后，输出如下的信息后终止
Parent Process is Killed!
②在上面的程序中增加语句signal (SIGNAL, SIG-IGN) 和signal (SIGQUIT, SIG-IGN).
(4)进程的管道通信
编制一段程序，实现进程的管理通信。使用系统调用pipe()建立一条管道线；两个子进程P1和P2分别向管道中写一句话：
Child 1 is sending a message!
Child 2 is sending a message!
而父进程则从管道中读出来自于两个子进程的信息，显示在屏幕上。要求父进程先接收子进程P1发来的消息，然后再接收子进程P2发来的消息。
(5)消息的创建，发送和接收。
使用系统调用msgget (), msgsnd (), msgrev (), 及msgctl () 编制一长度为1k的消息的发送和接收程序。①为了便于操作和观察结果，用一个 程序为“引子”，先后fork( )两个子进程，SERVER和CLIENT，进行通信.②SERVER端建立一个Key为75的消息队列，等待其他进程发来的消息。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”。③CLIENT端使用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。最后的一个消息，既是 SERVER端需要的结束信号。CLIENT每发送一条消息显示一句“(client)sent”。④父进程在 SERVER和 CLIENT均退出后结束。
(6)共享存储区的创建、附接和段接。
①为了便于操作 和观察结果，用一个 程序为“引子”，先后fork( )两个子进程,SERVER和CLIENT，进行通信。
②SERVER端建立一个KEY为75的共享区,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,表示收到了该消息,进行处理.然后再次把它 的值设为-1.如果遇到的值为0,则视为结束信号,取消该队列,并退出SERVER.SERVER每接 收到一次数据后显示”(server)received”.
③CLIENT端建立一个为75的共享区,当共享取得第一个字节为-1时, Server端空闲,可发送 请求. CLIENT 随即填入9到0.期间等待Server端再次空闲.进行完这些操作后, CLIENT 退出. CLIENT每发送一次数据后显示”(client)sent”.
④父进程在SERVER和CLIENT均退出后结束.
(7)比较上述(5)，(6)两种消息通信机制中数据传输的时间。
三、方案分析
(3)软中断通信流程图:
(4)进程的管道通信:
四、功能模块实现(部分代码实现)
(1)进程的创建
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if(p1=fork()) /*子进程创建成功*/ putchar(‘b‘); else { if(p2=fork()) /*子进程创建成功*/ putchar(‘c‘); else putchar(‘a‘); /*父进程执行*/ }
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(2)进程的控制
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if(p1=fork()) { for(i=0;i<500;i++) printf("parent%d\n",i); wait(0); /* 保证在子进程终止前，父进程不会终止*/ exit(0); } else { if(p2=fork()) { for(i=0;i<500;i++) printf("son %d\n",i); wait(0); /* 保证在子进程终止前，父进程不会终止*/ exit(0); /*向父进程信号0且该进程推出*/ } else { for(i=0;i<500;i++) printf(“grandchild %d\n",i); exit(0); } } |
(3)软中断通信
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void IntDelete() { kill(pid1,16); kill(pid2,17); }
void Int1() { printf("child process 1 is killed !by parent\n"); exit(0); } void Int2() { printf("child process 2 is killed !by parent\n"); exit(0); } |
(4)进程的管道通信
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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); |
(5)消息的创建，发送和接收。
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struct msgform /*消息结构*/ { long mtype; char mtexe[100]; /*文本长度*/ }msg; int msgqid,i;
void CLIENT( ) { int i; msgqid=msgget(MSGKEY,0777|IPC_CREAT); for(i=10;i>=1;i--) { msg.mtype=i; printf("(client)sent\n"); msgsnd(msgqid,&msg,1030,0); /*发送消息msg入msgid消息队列*/ } exit(0); }
void SERVER( ) { msgqid=msgget(MSGKEY,0777|IPC_CREAT); /*由关键字获得消息队列*/ do { msgrcv(msgqid,&msg,1030,0,0); /*从队列msgid接受消息msg*/ printf("(server)receive\n"); }while(msg.mtype!=1); /*消息类型为1时，释放队列*/ msgctl(msgqid, IPC_RMID,0); } |
(6)共享存储区的创建、附接和段接。
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CLIENT() { int i; shmid=shmget(SHMKEY,1024, 0777|IPC_CREAT); /*获取共享区，长度1024，关键词SHMKEY*/ addr=shmat(shmid,0,0); /*共享区起始地址为addr*/ for(i=9;i>=0;i--) { while(*addr!= -1); printf("(client)sent\n"); /*打印（client）sent*/ *addr=i; /*把i赋给addr*/ } exit(0); }
SERVER() { do { while(*addr = =-1); printf("(server)received\n%d",*addr); /*服务进程使用共享区*/ if(*addr!=0) *addr=-1; } while(*addr); wait(0); shmctl(shmid,IPC_RMID,0); } |
五、最终结果分析
(1)进程的创建
运行结果:
分析：从进程执行并发来看，输出abc的排列都是有可能的。
原因：fork()创建进程所需的时间虽然可能多于输出一个字符的时间，但各个进程的时间片的获得却不是一定是顺序的，所以输出abc的排列都是有可能的.
(2)进程的控制
运行结果:
分析：①由于函数printf()输出的字符串之间不会被中断，因此,每个字符串内部的字符顺序输出时不变。但是 , 由于进程并发执行时的调度顺序和父子进程的抢占处理机问题，输出字符串的顺序和先后随着执行的不同而发生变化。这与打印单字符的结果相同。②分析：因为上述程序执行时，lockf(1,1,0)锁定标准输出设备，lockf(1,0,0)解锁标准输出设备，在lockf(1,1,0)与lockf(1,0,0)中间的for循环输出不会被中断，加锁与不加锁效果不相同。
(3)软中断通信
运行结果①:
分析:父进程接收到ctrl+c信号才会调用kill（）向两个子进程发出信号。子进程接收到信号才会打印。
运行结果②：
分析：IntDelete 也是终端终止符的，pause()是当前进程处于等待状态，直到接收到一个信号后才能恢复执行。父进程接收到ctrl+c信号后等待子进程运行结束，子进程运行。
(4)进程的管道通信.
运行结果:
分析: 所谓管道，是指能够连接一个写进程和一个读进程的、同时允许它们以生产者.分析各个函数:pipe()建立一无名管道;read()系统调用格式为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。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。sprintf(str,format)功能：根据参数format字符串来转换并格式化数据，然后将结果复制到参数str所指的字符串数组，直到出现字符结束（‘\0’）为止。
思考题:
1.程序中的sleep(5)起什么作用？
答:程序中的sleep(5)的作用是让进程休眠5秒。
2.子进程1和2为什么也能对管道进行操作？
答:实验中所用到的无名管道实际上是一个没有路径的临时文件，进程通过该文件的文件描述符来识别它，而子进程会继承父进程的环境和上下文中的大部分内容，包括文件描述符，从而子进程也能对父进程中创建的管道进行操作。
(5)消息的创建，发送和接收。
运行结果:
从理想的结果来说，应当是每当Client发送一个消息后，server接收该消息，Client再发送下一条。也就是说“(Client)sent”和“(server)received”的字样应该在屏幕上交替出现。实际的结果大多是，先由 Client 发送两条消息，然后Server接收一条消息。此后Client和Server交替发送和接收消息.最后一次接收两条消息. Client 和Server 分别发送和接收了10条消息,与预期设想一致.
分析: message的传送和控制并不保证完全同步,当一个程序不再激活状态的时候,它完全可能继续睡眠,造成上面现象,在多次send message 后才 receive message.这一点有助于理解消息转送的实现机理.
(6)共享存储区的创建、附接和段接。
运行结果:
运行的结果和预想的完全一样。但在运行的过程中，发现每当client发送一次数据后，server要等大约0.1秒才有响应。同样，之后client又需要等待大约0.1秒才发送下一个数据。
分析:出现上述的应答延迟的现象是程序设计的问题。当client端发送了数据后，并没有任何措施通知server端数据已经发出，需要由client的查询才能感知。此时，client端并没有放弃系统的控制权，仍然占用CPU的时间片。只有当系统进行调度时，切换到了server进程，再进行应答。这个问题，也同样存在于server端到client的应答过程之中。
(7)比较上述(5)，(6)两种消息通信机制中数据传输的时间。
由于两种机制实现的机理和用处都不一样，难以直接进行时间上的比较。如果比较其性能，应更加全面的分析。
①消息队列的建立比共享区的设立消耗的资源少.前者只是一个软件上设定的问题,后者需要对硬件操作,实现内存的映像,当然控制起来比前者复杂.如果每次都重新进行队列或共享的建立,共享区的设立没有什么优势。
②当消息队列和共享区建立好后,共享区的数据传输,受到了系统硬件的支持,不耗费多余的资源;而消息传递,由软件进行控制和实现,需要消耗一定的CPU资源.从这个意义上讲,共享区更适合频繁和大量的数据传输.
③消息的传递,自身就带有同步的控制.当等到消息的时候,进程进入睡眠状态,不再消耗CPU资源.而共享队列如果不借助其他机制进行同步,接受数据的一方必须进行不断的查询,白白浪费了大量的CPU资源.可见消息方式的使用更加灵活.
六、设计体会
通过这次实践设计，使我对操作系统的了解进一步加强，同时加深了对C语言以及vi编译器的熟悉和理解。此外，将所学的课本理论知识再次运用到实践当中，做到了理论与实践相结合，得到了软件工程的综合训练，提高了解决实际问题的能力。做课设不仅让我修补了以前学习的漏洞，也让我知道一个道理：编程需要兴趣和实际动手。这应该可以借鉴在老师的教学工作上。创新思维至关重要，这不仅让我们写出精简的代码，也有助于开发出高效的程序。
经两个星期的设计和开发，进程的管道通信实验基本完成。其功能基本符合课设需求。
当然，在本次实践设计中有遇到了不少困难，这说明对理论知识还不能深入地理解和灵活的运用，还有待于加强对课本知识的掌握。此外，多加实践训练也是非常重要的。这就要求我们在平时上机训练时对书本上的理论知识要亲手调试一遍，提高自己的实际动手能力，并在此过程中对发现的问题要多加思索，做到心领神会。
通过该题目的设计过程，可以加深理解操作系统，Linux操作系统以及课程的学习，进一步理解和熟练掌握课本中所学的有关操作系统的知识，学会如何把学到的知识用于解决实际问题，培养动手能力。
七、附录
(1)进程的创建
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#include<stdio.h> main() { int p1,p2; if(p1=fork()) /*子进程创建成功*/ putchar(‘b‘); else { if(p2=fork()) /*子进程创建成功*/ putchar(‘c‘); else putchar(‘a‘); /*父进程执行*/ } } |
(2)进程的控制
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//〈程序1〉 #include<stdio.h> main() { int p1,p2,i; if(p1=fork()) { for(i=0;i<500;i++) printf("parent%d\n",i); wait(0); /* 保证在子进程终止前，父进程不会终止*/ exit(0); } else { if(p2=fork()) { for(i=0;i<500;i++) printf("son %d\n",i); wait(0); /* 保证在子进程终止前，父进程不会终止*/ exit(0); /*向父进程信号0且该进程推出*/ } else { for(i=0;i<500;i++) printf(“grandchild %d\n",i); exit(0); } } } |
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// 〈程序2〉 #include<stdio.h> main() { int p1,p2,i; if(p1=fork()) { lockf(1,1,0); for(i=0;i<500;i++) printf("parent %d\n",i); lockf(1,0,0); wait(0); /* 保证在子进程终止前，父进程不会终止*/ exit(0); } else { if(p2=fork()) { lockf(1,1,0); for(i=0;i<500;i++) printf("son %d\n",i); lockf(1,0,0); wait(0); /* 保证在子进程终止前，父进程不会终止*/ exit(0); } else { lockf(1,1,0); for(i=0;i<500;i++) printf("daughter %d\n",i); lockf(1,0,0); exit(0); } } } |
(3)软中断通信
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#include<stdio.h> #include<signal.h> #include<unistd.h>
int pid1,pid2; int EndFlag=0; int pf1=0; int pf2=0;
void IntDelete() { kill(pid1,16); kill(pid2,17); } void Int1() { printf("child process 1 is killed !by parent\n"); exit(0); } void Int2() { printf("child process 2 is killed !by parent\n"); exit(0); }
main() { int exitpid; if(pid1=fork()) { if(pid2=fork()) { signal(SIGINT,IntDelete); waitpid(-1,&exitpid,0); waitpid(-1,&exitpid,0); printf("parent process is killed\n"); exit(0); } else { signal(SIGINT,SIG_IGN); signal(17,Int2); pause(); } } else { signal(SIGINT,SIG_IGN); signal(16,Int1); pause(); } } |
(4)进程的管道通信
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#include <unistd.h> #include <signal.h> #include <stdio.h> 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); } } } |
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(5)消息的创建，发送和接收。
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#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/msg.h> #include <sys/ipc.h> #define MSGKEY 75 /*定义关键词MEGKEY*/ struct msgform /*消息结构*/ { long mtype; char mtexe[100]; /*文本长度*/ }msg; int msgqid,i;
void CLIENT( ) { int i; msgqid=msgget(MSGKEY,0777|IPC_CREAT); for(i=10;i>=1;i--) { msg.mtype=i; printf("(client)sent\n"); msgsnd(msgqid,&msg,1030,0); /*发送消息msg入msgid消息队列*/ } exit(0); }
void SERVER( ) { msgqid=msgget(MSGKEY,0777|IPC_CREAT); /*由关键字获得消息队列*/ do { msgrcv(msgqid,&msg,1030,0,0); /*从队列msgid接受消息msg*/ printf("(server)receive\n"); }while(msg.mtype!=1); /*消息类型为1时，释放队列*/ msgctl(msgqid, IPC_RMID,0); }
main() { if(fork()) { SERVER(); wait(0); } else CLIENT( ); } |
(6)共享存储区的创建、附接和段接。
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#include<sys/types.h> #include<sys/msg.h> #include<sys/ipc.h> #define SHMKEY 75 /*定义共享区关键词*/ int shmid,i; int *addr;
CLIENT() { int i; shmid=shmget(SHMKEY,1024, 0777|IPC_CREAT); /*获取共享区，长度1024，关键词SHMKEY*/ addr=shmat(shmid,0,0); /*共享区起始地址为addr*/ for(i=9;i>=0;i--) { while(*addr!= -1); printf("(client)sent\n"); /*打印（client）sent*/ *addr=i; /*把i赋给addr*/ } exit(0); }
SERVER() { do { while(*addr = =-1); printf("(server)received\n%d",*addr); /*服务进程使用共享区*/ if(*addr!=0) *addr=-1; } while(*addr); wait(0); shmctl(shmid,IPC_RMID,0); }
main() { shmid=shmget(SHMKEY,1024,0777|IPC_CREAT); /*创建共享区*/ addr=shmat(shmid,0,0); /*共享区起始地址为addr*/ *addr=-1; if(fork()) { SERVER(); } else { CLIENT(); } } |
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