一、实验目的与要求

综合利用进程控制的相关知识，结合对shell功能的和进程间通信手段的认知，编写简易shell程序，加深操作系统的进程控制和shell接口的认识。

二、实验内容

使用Linux操作系统；学习使用Linux进程间控制，进程间通信，管道，消息队列，共享内存等手段以及处理机调度

学会使用POSIX信号量实现生产者与消费者间同步关系

编写简易shell程序

三、实验步骤与过程

1 Linux学习与实践

1.1 管道

进程间的管道通信有两种形式，无名管道用于父子进程间，命名管可以用于任意进程间— —命名管道在文件系统中有可访问的路径名。管道通信方式主要用于单向通信，如果需要双向 通信则建立两条相反方向的管道。管道实质是由内核管理的一个缓冲区（一边由进程写入，另 一边由进程读出），因此要注意，如果缓冲区满了则写管道的进程将会阻塞。另外管道内部没 有显式的格式和边界，需要自行处理消息边界，如果多进程间共享还需要处理传送目标等工作。

无名管道

管道（pipe），或称无名管道，是所有 Unix 都提供的一种进程间通信机制。管道是单向的 信道，进程从管道的写端口写入数据，需要数据的进程从读端口中获取数据，数据在管道中按 到达顺序流动。Unix 命令中使用“|”来连接两个命令时使用的就是管道，例如“ls | more”将 ls命令的标准输出内容写入到管道中，管道的输出内容作为 more 命令的标准输入。注意，重定向技术虽然看起来和管道很相似，例如“ls > temp”，但重定向并不使用管道。

如下面图 1，以 pipe()为例展示父子进程间使用管道进行通信的方法，pipe()将通过两个文件描述符（整数）来指代管道缓冲区的读端和写端（代码中用 fds[] 变量记录）。其中父进程关闭管道的读端 fds[0]并往管道的写端 fds[1]写出信息，子进程关闭了管道的写端 fds[1]并从管道的读端 fds[0]读回信息。

图 1 pipe-demo.c 代码

图 2 pipe-demo.c输出

图 2是图 1中pipe-demo运行的输出，其表明父进程发送了消息到管道，子进程成功接收到了“Message from parent”。

命名管道

前面提到的无名管道有一个主要缺点，只能通过父子进程之间（及其后代）使用文件描述符的继承来访问，无法在任意的进程之间使用。命名管道（named pipe）或者叫 FIFO 则突破了这个限制。可以说 FIFO 就是无名管道的升级版——有可访问的磁盘索引节点，即 FIFO 文件将出现在目录树中（不像无名管道那样只存在于 pipefs 特殊文件系统中）。

下面图 3我们用 mkfilo 命令来创建命名管道 os-exp-fifo，如屏显 4-2 所示，其中 ls 命令查看时可以看出其类型是管道“p”。

图 3 mkfifo 创建命名管道

此时可以用 cat os-exp-fifo 命令尝试从管道中读入数据，但是此时管道中还没有写入任何数据，因此 cat 将进入阻塞状态，如图 4：

图 4 用 cat 尝试读取空的管道文件（阻塞）

如果此时在另一个终端上用“echo Hello, Named PIPE! >os-exp-fifo”则cat 会被唤醒并读入管道数据回显字符串“Hello, Named PIPE!”，如图 5

图 5 用 echo 向管道写入数据

1.2 System V IPC

Linux 的进程通信继承了 System V IPC。System V IPC 指的是 AT&T 在 System V.2 发行版中 引入的三种进程间通信工具:

信号量，用来管理对共享资源的访问

共享内存，用来高效地实现进程间的数据共享

消息队列，用来实现进程间数据的传递。

我们把这三种工具统称为 System V IPC 的对象，每个对象都具有一个唯一的IPC标识符 ID。为了使不同的进程能够获取同一个 IPC 对象，必须提供一个IPC 关键字（IPCkey），内核负责把 IPC 关键字转换成 IPC 标识符 ID。下面我们观察这三种IPC 工具。

在Linux中执行ipcs命令可以查看到当前系统中所有的System V IPC对象，如图 6所示。

图 6 ipcs 命令的输出

查看这些 IPC 对象时还可以带上参数，ipcs -a 是默认的输出全部信息、ipcs -m 显示共享内 存的信息、ipcs -q 显示消息队列的信息、ipcs -s 显示信号量集的信息。另外用还有一些格式控 制的参数，–t 将会输出带时间信息、-p 将输出进程 PID 信息、-c 将输出创建者/拥有者的 PID、 -l 输出相关的限制条件。例如用 ipcs -ql 将显示消息队列的限制条件，如图 7所示。

图 7 ipcs -ql 的输出

删除这些 IPC 对象的命令是 ipcrm，它会将与 IPC 对象及其相关联的数据也一起删除， 管 理员或者 IPC 对象的创建者才能执行删除操作。该命令可以使用 IPC 键或者 IPC 的 ID 来指定 IPC 对象：ipcrm -M shmkey 删除用 shmkey 创建的共享内存段而 ipcrm -m shmid 删除用 shmid 标识的共享内存段、ipcrm -Q msgkey 删除用 msqkey 创建的消息队列而 ipcrm -q msqid 删除用 msqid 标识的消息队列、ipcrm -S semkey 删除用 semkey 创建的信号而 ipcrm -s semid 删除用 semid 标识的信号。

1.2.1 消息队列

消息队列有些项邮政中的邮箱，里面的消息有点像信件——有信封以及写有内容的信纸。 由于各条消息可以通过类型（type）进行区分，因此可以用于多个进程间通信。比如一个任务 分派进程，创建了若干个执行子进程，不管是父进程发送分派任务的消息，还是子进程发送任务执行的消息，都将 type 设置为目标进程的 PID，目标进程只接收消息类型为 type 的消息就 实现了子进程只接收自己的任务，父进程只接收任务结果。

下面图 8图 9给出代码 msgtool.c，其每次启动都是以新的进程形式运行，因此各次运行都是相互独立的。其中发送消息的核心函数是 msgsnd()，第一个参数是消息队列的 ID，第二个参数时被发送消息的起始地址（消息的第一个成员是一个整数用于指出消息类型），第三个参数时消息长度，第四个参数指定写消息时的一些行为（此例子用 0）；接受消息的函数是 msgrcv()，第一个参数用于指定消息队列的ID，第二个参数是接受缓冲区地址，第三个参数指出希望接受的消息类型（0 表示接受任意类型的一条消息，>0表示接受指定类型的消息，

图 8 msgtool.c 代码

图 9 msgtool.c 代码

执行 msgtool s 1 Hello,my_msg_queue!发送类型为 1 的消息，然后用ipcs -q 查看新创建的消息队列，里面有 20 个字节的一条消息。此时再执行 msgtool -r 1（另一个进程了）读走类型为 1 的消息，然后再用 ipcs -q 可以看到该消息队列为空（0 字节）了。上述操作的输出如图 10：

图 10 msgtool 的执行结果

1.2.2 共享内存

System V IPC 的共享内存是由内核提供的一段内存，可以映射到多个进程的续存空间上， 从而通过内存上的读写操作而完成进程间的数据共享。我们首先来看看如何创建共享内存的， 示例代码如图 11所示，它创建了一个 4096 字节的共享内存区。shmget()的第一个参数 IPC_PRIVATE（=0，表示创建新的共享内存），第二个参数是共享内存区的大小，第三个是访问 模式。虽然也可以像前面的消息队列的例子那样通过 ftok()将键值转换成 ID，但这里没有指定 ID，而是创建共享内存后由系统返回一个 ID 值（后面的进程要使用该共享内存时需要指定该 ID）。

图 11 shmget-demo.c代码

执行该程序，其输出如图 12所示。输出结果表明新创建的共享内存的 ID为24，长度为 4096 字节，当前还没有进程将他映射到自己的进程空间（连接数列为 0）。

图 12 shmget-demo.c的运行结果

下面展示另一个进程通过影射该共享内存而使用它的过程，具体如图 13所示

图 13 shmatt-write-demo.c 代码

我们运行 shatt-demo 24（命令行参数中指出共享内存的 ID 为 24），其第一段输出结果如图 14所示。完成共享内存的映射后，shmatt-write-demo 往共享内存中写入一个 字符串“Hello shared memory!”。shmatt-write-demo 还通过 system()执行了“ipcs -m”，因此 也输出了当前的共享内存信息，可以看到 ID 为 24 的共享内存已经有被映射了一次 （nattach 列为 1）。

图 14 shmatt-write-demo.c运行结果

接下来使用 ps -a 指令，可以看到 shmatt-write-de 的 PID为4898，如图 15

图 15  ps -a 指令查看matt-write-de 的 PID

使用 cat /proc/4898/maps 查看进程的进程空间，可以看到进程布局如图 16所示

图 16 运行之后的进程布局

在 shmatt-write-demo击键回车后将解除共享内存的映射，此时ipcs -m显示对应的共享内存区没有人使用（连接数为 0），如图 17所示。此时如果检查内存布局可以发现原来区间的虚存已经消失。

图 17 运行write后的共享内存

此时再尝试用另一个程序去映射该共享内存并从中读取数据，shmatt-read-demo 代码如图 18所示。

图 18 shmatt-read-demo.c代码

如图 19，可以看到虽然创建该共享内存的进程已经结束了，可是shmatt-read-demo映射 ID 为 24 的共享内存后仍读出了原来写入的字符串。

图 19 运行read后的共享内存

从上面实验看出共享内存是比较灵活的通信方式，不需要像管道一样用文件接口read()、write()等函数，也不需要像消息队列那样用 msgsend()/msgrcv()等函数来操作，直接用内存指针的方式就可以操作。虽然实验中没有验证其容量，但是共享内存的容量远比管道和消息队列大。

1.2.3 信号量数组/信号量集

在操作系统原理性课程中我们以及学习过信号量和信号量集机制。Linux 支持的System V IPC 中的信号量实际上是信号量数组（信号量集），一次可以创建多个信号量。创建或者获得信号量集之后，可以对各个信号量进行 P/V 操作（或者称up/down 操作），进程进行 P/V 操作时遵循信号的同步约束关系——由操作系统完成进程的阻塞或唤醒。

1.3 进程间同步

Linux 同时支持 System V IPC 中的信号量集和 POSIX 信号量。前者常用于进程间通信、是基于内核实现的（不随进程结束而消失）；而后者是常用于线程间同步、方便使用且仅含一个信号量。POSIX 信号量分成有名信号量和无名信号量，前者和一个文件的路径名相关联，创建 后不随进程结束而消失（可用于进程间通信），反之无名信号量则只在进程生命周期内存在且 只能在该进程创建的线程间使用。 上述两种信号量的编程接口函数是很容易被区分：对于所有 System V信号量函数，在它们的名字里面没有下划线（例如，有semget()而不是sem_get()），然而所有的 POSIX 信号量 函数都有一个下划线（例如，有sem_post()而不是sempost()）。Linux操作系统内核内部也有多个并发的执行流，它们之间使用内核的信号量，和这里讨论的用户态信号量又不相同。

1.3.1 System V IPC 信号量集

进程间的 System V IPC 信号量集的同步机制已经在前面 System V IPC 中和进程间通信主题一并讨论过，这里不再重复。

1.3.2 POSIX 信号量

POSIX 信号量又分成有名信号量和无名信号量，前者可以用于在多个进程间或多个线程间的同步，无名信号量只能用于线程间同步。两者的创建函数不同，但是响应的P/V操作函数是一样的。有名信号量由于可以通过标识来访问，因此可以同时用于进程间同步和线程间同步。有名信号量的创建使用 sem_open()完成，代码 psem-named-open.c 如图 20所示，其先用 sem_open()创建了一个信号量，该信号量由一个字符串所标识。

图 20 psem-named-open.c代码

然后用 gcc psem-named-open.c -o psem-named-open -lpthread（参数-lpthread 用于指出链接时所用的线程库）完成编译，然后运行 psem-named-open。如果没有输入作为标识的文件名字符串，则给出提示要求用户输入；如果输入一个文件名字符串，正常情况将完成创建过程，如图 21所示。

图 21 psem-named-open 的输出

之后尝试执行 P/V 操作中的 V 操作（即对信号量进行减 1 操作，可能引发阻塞），程序psem-named-wait-demo.c如图 22所示，它通过 sem_wait()来执行V 操作（减1 操作），并且通过 sem_getvalue()来查看信号量的值。同样出于代码简洁的考虑，这里的代码也是没有检查 sem_open()是否成功获得了信号量。因此，如果输入错误的标识字符串，则无法成功获得所指定的信号量，sem_wait()引用无效的信号量而引发段错误。

图 22 psem-named-wait-demo.c 代码