实验三使用 Linux 高级 IPC

实验三使用Linux高级IPC 陈毅东

结束提纲 • 进程间通信概述 • 目标问题——哲学家进餐问题 • 问题描述 • 错误与不好的解法 • 并行度较高的解法 • Linux高级IPC机制 • 概述 • System V信号灯 • System V共享内存区 • 实现的其他问题 • 实习题

进程间通信概述（1）：引子 #include <unistd.h>#include <sys/types.h>int result;main(){ pid_t pid; result=0; pid=fork(); if(pid<0) exit(-1); else{ sleep(3); result=result+10; exit(0); } while(wait((int*)0)!=-1); printf("%d\n", result); exit(0);} if(pid){ pid=fork(); if(pid<0) exit(-1); if(pid==0){ sleep(3); result=result+20; exit(0); }} 输出结果是什么？

进程间通信概述（2） • 进程是相互独立的，进程间的通信需要专门的机制。 • 进程之间的通信可以经由文件系统，但实际使用较为复杂（例如，需要锁机制）。 • UNIX IPC (InterProcess Communication)机制是各种进程通信方式的统称。 • Linux下的进程通信手段基本上是从Unix平台上的进程通信手段继承而来的。

进程间通信概述（3） • 对于UNIX的发展，贝尔实验室和BSD在进程间通信方面的侧重点有所不同： • 贝尔实验室对Unix早期的进程间通信手段进行了系统的改进和扩充，形成了“System V IPC”，通信进程局限在单个计算机内； • BSD则主要考虑跨计算机的进程间通信，形成了基于套接口（socket）的进程间通信机制。

最初的 UNIX IPC System V IPC Linux IPC 基于Socket的IPC POSIX IPC 返回进程间通信概述（4） • 最初的Unix IPC：信号、管道、FIFO； • System V IPC：消息队列、信号量、共享内存区； • POSIX IPC：消息队列、信号量、共享内存区。

返回哲学家进餐问题的描述 • 五个哲学家围坐在一张圆桌周围，每个哲学家面前都有一碗米饭，相邻的两碗之间有一支筷子（如图）。 • 哲学家的生活包含两种活动：即吃饭和思考。当一个哲学家觉得饿时，他就试图分两次去取他左边和右边的筷子，每次拿起一支，但不分次序。如果成功地获得了一双筷子，他就开始吃饭，吃完以后放下筷子继续思考。这样，问题就是，为每个哲学家写一段程序来描述其行为，要求不死锁。

若每个哲学家进程都运行到此句后发生进程切换，则进入死锁。若每个哲学家进程都运行到此句后发生进程切换，则进入死锁。错误与不好的解法（1） • 解法一：可能进入“死锁”状态 #define N 5 void philosopher(int i) { while(TRUE){ think(); take-chopstick(i); take-chopstick((i+1)%N); eat(); put-chopstick(i); put-chopstick((i+1)%N); } }

不妨假设此函数能做到“测试且设置”。 错误与不好的解法（2） • 解法二：可能进入“饥饿”状态　　这种解法可能会造成下面情况：哲学家们不断地重复“拿起各自左边的筷子又放下”的动作，谁也不能进餐。注意：这时和解法一的状态不同，这时进程都没有阻塞。 #define N 5 void philosopher(int i) { while(TRUE){ think(); do{ take-chopstick(i); if(can-take-chopstick((i+1)%N)) break; else put-chopstick(i); }while(TRUE); eat(); put-chopstick(i);put-chopstick((i+1)%N); } }

返回错误与不好的解法（3） • 解法三：可行但效率低下 #define N 5 typedef int semaphore; semaphore mutex=1; void philosopher(int i) { while(TRUE){ think(); down(mutex); take-chopstick(i); take-chopstick((i+1)%N); eat(); put-chopstick(i); put-chopstick((i+1)%N); up(mutex); } } 本解法从理论上可行，但从实际角来看，有一局限性：同一时刻只能有一位哲学家进餐。而这里有五支筷子，实际上应能允许两位哲学家同时进餐。

并行度较高的解法（1） #define N 5 #define LEFT (i+N-1)%N #define RIGHT (i+1)%N #define THINKING 0 #define HUNGRY 1 #define EATING 2 typedef int semaphore; int state[N]; semaphore mutex=1; semaphore s[N]; void philosopher(int i){ while(TRUE){ think(); take-chopsticks(i); eat(); put-chopsticks(i); }}

返回并行度较高的解法（2） void put-chopsticks(int i) { down(&mutex); state[i]=THINKING; test(LEFT); test(RIGHT); up(&mutex); } void take-chopsticks(int i) { down(&mutex); state[i]=HUNGRY; test(i); up(&mutex); down(&s[i]); } void test(i) { if(state[i]==HUNGRY &&state[LEFT]!=EATING&&state[RIGHT]!=EATING){ state[i]=EATING;up(&s[i]); } }

返回概述 • System V IPC包含了三种机制，在实现“哲学家进餐问题”时，我们只使用信号灯机制和共享存储区机制。主要的函数如下：信号灯共享内存区　头文件 <sys/sem.h> <sys/shm.h> 创建或打开IPC semget shmget 　控制IPC操作 semctl shmctl IPC操作函数semop shmat, shmdt • System V IPC对象以key_t类型的值作为其名字。 • System V IPC对象以一定的存取权限来控制其访问。

返回 System V IPC的名字 • System V IPC是有名的，这样可以支持无亲缘关系的进程访问同一的IPC对象。其名字的类型为key_t，可以由ftok函数赋予或直接取值IPC_PRIVATE。 • ftok函数 • 原型：#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>key_t ftok(const char * pathname, int id); • 功能：把已存在的路径名和一整数标识符转换成一个key_t值，称为IPC键。 • 返回值：成功时返回IPC键，出错返回-1。 • 说明：1、ftok产生的键值不会是IPC_PRIVATE；2、不能保证ftok生成的键值唯一；3、用于产生键的文件不能在该IPC对象存活其　内删除。

返回 System V IPC对象的存取权限 • 为防止共享的IPC对象被非法访问，必须为IPC对象设置存取权限。 • System V IPC对象的存取权限和文件系统中文件的存取权限类似，也用9位分3组表示，三组分别代表属主、组成员和其他用户对该IPC对象的存取权限；每组中三位，只用其中的两位表示是否可读和是否可写。一般为了安全，在创建IPC对象时应该设置存取权限制为0600，表示仅仅对属主是可读，可写的。

返回 System V信号灯 • semget • semctl • semop • down和up的实现

semget(1)——函数说明 • 原型：#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/sem.h>int semget(key_t key, int nsems, int oflag); • 功能：创建或打开信号灯集合。 • 返回值：成功返回非负信号灯标识符，出错返回-1。 • 说明：1、key是欲创建或打开的信号灯集合的名字； 2、nsems指明信号灯集合中包含的信号灯数； 3、oflag是一个位信息标志，含两部分信息，即存　　　取权限和控制字段。低9位表示存取权限，控　　　制字段中IPC_CREAT位和IPC_EXCL位的设　　　置情况与参数key共同决定了本调用的操作。

返回 semget(2)——工作流程 if (key==IPC_PRIVATE)创建新信号灯集并返回其id;else if (与key相关的信号灯集合存在) if ((oflag&IPC_CREAT)&&(oflag&IPC_EXCL))返回-1; else if (访问权限允许)返回与key相关的信号灯集id; else返回-1; else if (oflag&IPC_CREAT)创建新信号灯集并返回其id; else返回-1;

semctl(1)——函数说明 • 原型：#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/sem.h>int semctl(int semid, int semnum, int cmd,union semun arg); • 功能：对semid标识的信号灯集合进行控制。 • 返回值：成功返回非负值，出错返回-1。 • 说明：1、cmd是对信号灯集的控制命令，有GETVAL，SETVAL，GETALL，SETALL，IPC_RMID等，我们只用最后的两个。2、semnum标识该信号灯集中某成员（以0为第　　　　一个），仅用于GETVAL，SETVAL等命令。3、arg是可选的，取决于参数cmd，GETALL或SETALL等命令就要用到参数arg。

返回 semctl(2)——union semun • union semun的定义为：union semun{ int val; //仅用于SETVAL命令struct semid_ds * buf; //用于IPC_SET等命令ushort * array; //用于SETALL等命令} • 注意，本联合未在出现在任何系统头文件中，因此必须由应用程序声明。

semop(1)——函数说明 • 原型：#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/sem.h>int semop(int semid,struct sembuf * opsptr,size_t nops); • 功能：对semid标识的信号灯集合中信号灯进行操作。 • 返回值：成功返回0，出错返回-1。 • 说明：1、opsptr是指向结构struct sembuf的指针，可　　　　以是这种类型的结构数组的头指针。数组的每　　　　个元素包含对信号灯集合中一个信号的的操作　　　　的信息，从而可实现同时对多信号灯的操作。2、nops指出opsptr指向的结构数组中元素数。

返回 semop(2)——struct sembuf • struct sembuf的定义为：struct sembuf{ short sem_num; //信号灯号：0,1,…,nsems-1 short sem_op; //信号灯操作：<0, 0, >0 short sem_flg; //操作标识：这里我们只要置0} • sem_op不同值对应的操作（设信号灯当前值为sv）： • sem-op<0：start: if (sv>=abs (sem_op)) sv=sv-abs(sem_op); else {sleep; goto start;} • sem_op>0：sv=sv+sem_op; 唤醒所有阻塞于该信号量的进程; • sem_op==0：测试sv是否为0。

返回 down和up的实现 void down(int sid, int sn) { struct sembuf op; op.sem_num=sn; op.sem_op=-1; op.sem_flg=0; semop(sid, &op, 1); } void up(int sid, int sn) { struct sembuf op; op.sem_num=sn; op.sem_op=1; op.sem_flg=0; semop(sid, &op, 1); }

返回 System V共享内存区 • shmget • shmctl • shmat和shmdt • 使用共享内存区的一般流程

返回 shmget • 原型：#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/shm.h>int shmget(key_t key, size_t size, int oflag); • 功能：创建或打开共享内存区。 • 返回值：成功返回非负内存区标识符，出错返回-1。 • 说明：1、size指明共享内存区大小（字节为单位）；2、key和oflag的说明基本和semget相同；3、打开或创建一个共享内存区，并没提供调用进　　　　程访问该内存区的手段。必须调用shmat。

返回 shmctl • 原型：#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/shm.h>int shmctl(int shmid, int cmd,struct shmid_ds *buff); • 功能：对shmid标识的共享内存区进行控制。 • 返回值：成功返回0，出错返回-1。 • 说明：1、参数cmd是对共享内存区的控制命令，可以是IPC_RMID，IPC_SET或IPC_STAT，我们仅　　　　用第一个；2、buff主要用于命令IPC_SET和IPC_STAT，命　　　　令为IPC_RMID时可直接提供NULL；

返回 shmat和shmdt • 原型：#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/shm.h>void * shmat(int shmid,const void * shmaddr,int flag);int shmdt(const void * shmaddr); • 功能：shmat用于将一个打开的共享内存区附接到调用进程的地址空间。shmdt用于切断这个内存区域。 • 返回值：出错返回-1，shmat成功返回映射区的起始地址而shmdt成功时候返回0。 • 说明：shmat中shmaddr和flag可用来影响映射区起始地址的选取。一般应该分别提供NULL和0。

返回使用共享内存区的一般流程 • 使用System V共享内存区时的一般流程： • 用shmget创建或打开一个共享内存区 • 用shmat将打开的共享内存区附接到进程地址空间 • 对共享内存区进行操作 • 用shmdt切断共享内存区与本进程地址空间的联系 • 用shmctl拆除共享内存区（用命令IPC_RMID）

返回实现的其他问题 • 如何创建多个进程 • 创建一个进程链 • 创建一个进程扇 • 创建一个进程树 • 程序的结束 • 程序失败后如何释放资源

1 2 3 4 返回创建一个进程链 #define N 4 #include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> main() { int i; for (i=1;i<N;++i) if (fork()) break; fprintf(stderr, "#%d is process %ld with parent %ld\n", i, (long)getpid(), (long)getppid()); } 注意：本程序未考虑fork失败的情况。

4 1 2 3 返回创建一个进程扇 #define N 4 #include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> main() { int i; for (i=1;i<N;++i) if (fork()==0) break; fprintf(stderr, "#%d is process %ld with parent %ld\n", i, (long)getpid(), (long)getppid()); } 注意：本程序未考虑fork失败的情况。

0 1 2a 2b 3a 3b 3c 3d 返回创建一个进程树 #define N 4 #include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> main() { int i, id=0; for (i=1;i<N;++i) if (fork()==0) id=i; fprintf(stderr, "#%d is process %ld with parent %ld\n", id, (long)getpid(), (long)getppid()); } 注意：本程序未考虑fork失败的情况。

返回程序的结束 • 在什么时机结束程序 • 以某个外部文件的存在与否来决定：每个哲学家在“吃”完后都检测某个特定的文件（例如：~/quit）是否已经被创建。若是则结束程序。 • 利用信号（signal）截取键盘Ctrl-C信号。 • 程序结束时候要记得回收IPC资源

返回程序失败后如何释放资源 • 杀掉垃圾进程 • 使用ps –ax查看所有进程 • 使用killall name进行删除 • 删除垃圾IPC资源 • 使用ipcs [-a]查看所有IPC资源 • 使用ipcrm [shm|sem] id进行删除

返回实习题 • 理解实现进程通信的难点 • 练习创建多个进程的方法 • 解决哲学家进餐问题 • 实现不好的或有错误的算法，观察运行情况 • 实现正确的算法（需要检查） • 也实现其他方法

实验三使用 Linux 高级 IPC