实验三的知识点是进程通信,进程通信的方式多种多样,既包括锁机制、信号量机制在内的低级通信方式,低级在于其交换的信息量少且效率较低,又包括共享服务器、消息传递系统、管道通信以及客户 - 服务器系统通信在内的高级通信方式,本实验是实验三的第二部分,介绍了管道通信方式的基本原理以及具体实现。
源码地址:
https://github.com/leslievan/Operator_System/tree/master/Operator_System_Lab3/Operator_System_Exp3_2
基本介绍
管道是一个文件,用于连接两个进程以实现进程通信。管道是半双工的,即同一时间同一进程只能读取或者写入。管道又分为有名管道和无名管道两种,无名管道存在于高速缓存 cache
中,用于有亲缘关系的父子进程或兄弟进程之间的通信,有名管道存在于磁盘中,是看得见摸得着的真实文件
,只要知道路径名就可以调用,所以它可以用于任意进程之间的通信。前面提到管道是一个文件,所以不论是有名管道还是无名管道,它们写入或读取的方式都是一样的 —— 使用 write
进行写入,使用 read
进行读取。
实验内容
实现一个管道通信程序
由父进程创建一个管道,然后再创建三个子进程,并由这三个子进程利用管道与父进程之间进行通信:子进程发送信息,父进程等三个子进程全部发完消息后再接收信息。通信的具体内容可根据自己的需要随意设计,要求能试验阻塞型读写过程中的各种情况,测试管道的默认大小,并且要求利用 Posix 信号量机制实现进程间对管道的互斥访问。运行程序,观察各种情况下,进程实际读写的字节数以及进程阻塞唤醒的情况。
根据实验要求可知,这里直接选用无名管道即可,实验要求有:
- 试验阻塞型读写过程中的各种情况
- 测试管道的默认大小
- 利用 Posix 信号量机制实现进程间对管道的互斥访问
先放上能够实现这些功能的代码。
/*
* @file main.c
* @author Arcana
* @date 2018.11.12
* @brief Children process communicate with parent by pipe.
*/
#include "errno.h"
#include "fcntl.h"
#include "semaphore.h"
#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
#include "sys/ipc.h"
#include "sys/sem.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/wait.h"
#include "unistd.h"
#define BUF_MAX_SIZE 8192
// 如果x为假,则报错,打印出错代码所在函数及行数
#define CHECK(x) \
do { \
if (!(x)) { \
fprintf(stderr, "%s:%d: ", __func__, __LINE__); \
perror(#x); \
exit(-1); \
} \
} while (0)
/**
* Create three children processes to test pipe communication.
* @param argc Argument count.
* @param argv Argument vector.
* @return status code.
*/
int main(int argc, char **argv) {
int pipefd[2], pid, i = 0;
int flag = 0;
ssize_t n;
char buf[BUF_MAX_SIZE];
char str[BUF_MAX_SIZE];
// 创建有名信号量,若不存在则创建,若存在则直接打开,默认值为0
sem_t *write_mutex;
sem_t *read_mutex1;
sem_t *read_mutex2;
write_mutex = sem_open("pipe_test_wm", O_CREAT | O_RDWR, 0666, 0);
read_mutex1 = sem_open("pipe_test_rm_1", O_CREAT | O_RDWR, 0666, 0);
read_mutex2 = sem_open("pipe_test_rm_2", O_CREAT | O_RDWR, 0666, 0);
memset(buf, 0, BUF_MAX_SIZE);
memset(str, 0, BUF_MAX_SIZE);
// 创建管道并检查操作是否成功
CHECK(pipe(pipefd) >= 0);
// 创建第一个子进程并检查操作是否成功
CHECK((pid = fork()) >= 0);
// 第一个子进程,利用非阻塞写测试管道大小
if (pid == 0) {
int count = 0;
close(pipefd[0]);
int flags = fcntl(pipefd[1], F_GETFL);
// 管道默认是阻塞写,通过`fcntl`设置成非阻塞写,在管道满无法继续写入时返回-EAGAIN,作为循环终止条件
fcntl(pipefd[1], F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
// 写入管道
while (!flag) {
n = write(pipefd[1], buf, BUF_MAX_SIZE);
if (n == -1) {
flag = 1;
} else {
count++;
printf("children 1 write %dB\n", n);
}
}
printf("space = %dKB\n", (count * BUF_MAX_SIZE) / 1024);
exit(0);
}
// 创建第二个子进程并检查操作是否成功
CHECK((pid = fork()) >= 0);
if (pid == 0) {
sem_wait(write_mutex);
close(pipefd[0]);
n = write(pipefd[1], "This is the second children.\n", 29);
printf("children 2 write %dB\n", n);
sem_post(write_mutex);
sem_post(read_mutex1);
exit(0);
}
// 创建第三个子进程并检查操作是否成功
CHECK((pid = fork()) >= 0);
if (pid == 0) {
sem_wait(write_mutex);
close(pipefd[0]);
n = write(pipefd[1], "This is the third children.\n", 28);
printf("children 3 write %dB\n", n);
sem_post(write_mutex);
sem_post(read_mutex2);
exit(0);
}
// 等待第一个子进程运行完成,父进程继续运行
wait(0);
close(pipefd[1]);
int flags = fcntl(pipefd[0], F_GETFL);
// 设置非阻塞性读,作为循环结束标志
fcntl(pipefd[0], F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
while (!flag) {
n = read(pipefd[0], str, BUF_MAX_SIZE);
if (n == -1) {
flag = 1;
} else {
printf("%dB read\n", n);
}
}
sem_post(write_mutex);
// 等待子进程二、三写入完毕
sem_wait(read_mutex1);
sem_wait(read_mutex2);
n = read(pipefd[0], str, BUF_MAX_SIZE);
printf("%dB read\n", n);
for (i = 0; i < n; i++) {
printf("%c", str[i]);
}
sem_close(write_mutex);
sem_close(read_mutex1);
sem_close(read_mutex2);
sem_unlink("pipe_test_wm");
sem_unlink("pipe_test_rm_1");
sem_unlink("pipe_test_rm_2");
return 0;
}
这里使用了三个信号量,分别是 write_mutex
、read_mutex1
和 read_mutex2
,简单分析一下子进程和父进程之间的关系可以明白:
- 子进程一先将 64K 的数据写入管道,父进程才能第一时间将数据全部读取出来(来自一进程的数据)
- 父进程将子进程一的数据读取之后,子进程二、三才能写入数据
- 子进程二、三将数据写入后,父进程随后才能读取第二批数据(来自二、三进程的数据)
关系大致如下图所示:
子进程写入数据1
和父进程读取数据1
利用 wait(0)
限制了先后关系,父进程必须接收到子进程结束之后返回的 0,才能继续运行,否则阻塞。
write_mutex
限制了父进程先读取数据,然后子进程二、三写入数据,read_mutex1
和 read_mutex2
分别限制了子进程二、三写入数据 2,3 和父进程读取数据 2,3 先后关系,只有子进程二、三均完成后,父进程才允许读取管道。
子进程一使用了非阻塞性写,子进程二、三均为阻塞性写,父进程为非阻塞性读。
非阻塞写和非阻塞读的目的在于,阻塞写时,管道满了之后进程被阻塞,无法设置终止条件从而结束写,读也是一样,管道空了之后进程被阻塞,无法设置终止条件从而结束读。
进一步解释程序,除去复制了 fork
之前的程序运行空间,子进程一运行了第一个 if
中的代码块:
if (pid == 0) {
int count = 0;
close(pipefd[0]);
int flags = fcntl(pipefd[1], F_GETFL);
fcntl(pipefd[1], F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
while (!flag) {
n = write(pipefd[1], buf, BUF_MAX_SIZE);
if (n == -1) {
flag = 1;
} else {
count++;
printf("children 1 write %dB\n", n);
}
}
printf("space = %dKB\n", (count * BUF_MAX_SIZE) / 1024);
exit(0);
}
每次写入 8K 数据,直到管道满无法继续写入,write
函数返回 -1
,循环终止,计数并打印出总数据大小 —— 即管道容量。
第二个子进程则运行了第二个 if
后的代码块:
if (pid == 0) {
sem_wait(write_mutex);
close(pipefd[0]);
n = write(pipefd[1], "This is the second children.\n", 29);
printf("children 2 write %dB\n", n);
sem_post(write_mutex);
sem_post(read_mutex1);
exit(0);
}
写入 This is the second children.\n
。
第三个子进程则运行了第三个 if
后的代码块:
if (pid == 0) {
sem_wait(write_mutex);
close(pipefd[0]);
n = write(pipefd[1], "This is the third children.\n", 28);
printf("children 3 write %dB\n", n);
sem_post(write_mutex);
sem_post(read_mutex2);
exit(0);
}
写入 This is the third children.\n
。
父进程运行了:
{
wait(0);
close(pipefd[1]);
int flags = fcntl(pipefd[0], F_GETFL);
fcntl(pipefd[0], F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
while (!flag) {
n = read(pipefd[0], str, BUF_MAX_SIZE);
if (n == -1) {
flag = 1;
} else {
printf("%dB read\n", n);
}
}
sem_post(write_mutex);
sem_wait(read_mutex1);
sem_wait(read_mutex2);
n = read(pipefd[0], str, BUF_MAX_SIZE);
printf("%dB read\n", n);
for (i = 0; i < n; i++) {
printf("%c", str[i]);
}
}
line 2
至 line 14
用于读取子进程一写入的数据,否则子进程二、三无法继续写入,读空管道后结束循环,释放信号量,子进程二、三继续运行。
line 16
至 line 22
用于读取子进程二、三写入的数据,并打印到终端上,BUF_MAX_SIZE
是想要读取的数据大小,read
返回了实际读取的数据大小。
实验结果
实验结果如下:
$ gcc Desktop/Untitled-1.c -o main -pthread
$ ./main
children 1 write 8192B
children 1 write 8192B
children 1 write 8192B
children 1 write 8192B
children 1 write 8192B
children 1 write 8192B
children 1 write 8192B
children 1 write 8192B
space = 64KB
8192B read
8192B read
8192B read
8192B read
8192B read
8192B read
8192B read
8192B read
children 2 write 29B
children 3 write 28B
57B read
This is the second children.
This is the third children.