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实验二进程间通信一、实验目的在本实验中，通过对文件映射对象的了解，来加深对Windows2000线程同步的理解.回顾系统进程、线程的有关概念，加深对Windows2000线程间通讯的理解；了解文件映射对象；通过分析实验程序，了解线程如何通过文件映射对象发送数据；了解在进程中如何使用文件映射对象.二、背景知识1．共享内存：Windows2000提供了一种在文件中处理数据的方法，名为内存映射文件，也称为文件映射.文件映射对象是在虚拟内存中分配的永久或临时文件对象区域(如果可能的话，可大到整个文件)，可将其看作是二进制的数据块.使用这类对象，可获得直接在内存中访问文件内容的能力.文件映射对象提供了强大的扫描文件中数据的能力，而不必移动文件指针.对于多线程的读写操作来说，这一点特别有用，因为每个线程都可能想要把读取指针移动到不同的位置去——为了防止这种情况，就需要使用某种线程同步机制保护文件.在CreateFileMapping()API中，一个新的文件映射对象需要有一个永久的文件对象(由CreateFile()所创建).该函数使用标准的安全性和命名参数，还有用于允许操作(如只读)的保护标志以及映射的最大容量.随后可根据来自OpenFileMapping()API的其他线程或进程使用该映射——这与事件和互斥体的打开进程是非常类似的.内存映射文件对象的另一个强大的应用是可请求系统创建一个运行映射的临时文件.该临时文件提供一个临时的区域，用于线程或进程互相发送大量数据，而不必创建或保护磁盘上的文件.利用向创建函数中发送INVALID_HANDLE_VALUE来代替真正的文件句柄，就可创建这一临时的内存映射文件；指令内核使用系统页式文件来建立支持映射的最大容量的临时数据区.为了利用文件映射对象，进程必须将对文件的查看映射到它的内存空间中.也就是说，应该将文件映射对象想象为进程的第一步，在这一步中，当查看实际上允许访问的数据时，附加有共享数据的安全性和命名方式.为了获得指向内存区域的指针需要调用MapViewOfFile()API，此调用使用文件映射对象的句柄作为其主要参数.此外还有所需的访问等级(如读-写)和开始查看时文件内的偏移和要查看的容量.该函数返回一个指向进程内的内存的指针，此指针可有多种编程方面的应用(但不能超过访问权限).当结束文件映射查看时，必须用接受到的指针调用UnmapViewOfFlie()API，然后再根据映射对象调用CloseHandle()API，从而将其清除。三、实验内容1.编译运行项目Lab5.1\SHAREMEM.DSW，观察运行结果，并阅读和分析实验程序.2.Lab5.2目录下的示例程序：ProcessA.exe，ProcessB.exe用三种方法实现了进程通信.(1)进程A中输入一些字符，点“利用SendMessage发送消息”按钮可将消息发到进程B.(2)在进程A中输入一些字符，点“写数据到内存映像文件”按钮，然后在进程B中点“从内存映像文件读数据”按钮可收到消息.(3)先在进程B中点“创建管道并接收数据”按钮，然后在进程A中输入一些字符，点“写数据到管道文件”按钮可将消息发到进程B（重复第3步每次可发一条消息）.消息传递数据通信可参考SendMessage.txt，共享内存通信可参考MemFile.txt，管道通信可参考Pipe.txt.3．编写程序利用WM_COPYDATA消息机制，实现线程间的通信.进程间通信之管道每个进程各自有不同的用户地址空间，任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，所以进程之间要交换数据必须通过内核，在内核中开辟一块缓冲区，进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区，进程2再从内核缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为进程间通信（IPC，InterProcessCommunication）。如下图所示。图3.1进程间通信3.1管道管道是一种最基本的IPC机制，由pipe函数创建：#includeunistd.hintpipe(intfiledes[2]);调用pipe函数时在内核中开辟一块缓冲区（称为管道）用于通信，它有一个读端一个写端，然后通过filedes参数传出给用户程序两个文件描述符，filedes[0]指向管道的读端，filedes[1]指向管道的写端（很好记，就像0是标准输入1是标准输出一样）。所以管道在用户程序看起来就像一个打开的文件，通过read(filedes[0]);或者write(filedes[1]);向这个文件读写数据其实是在读写内核缓冲区。pipe函数调用成功返回0，调用失败返回-1。开辟了管道之后如何实现两个进程间的通信呢？比如可以按下面的步骤通信。图3.2管道1.父进程调用pipe开辟管道，得到两个文件描述符指向管道的两端。2.父进程调用fork创建子进程，那么子进程也有两个文件描述符指向同一管道。3.父进程关闭管道读端，子进程关闭管道写端。父进程可以往管道里写，子进程可以从管道里读，管道是用环形队列实现的，数据从写端流入从读端流出，这样就实现了进程间通信。例、管道#includestdlib.h#includeunistd.h#defineMAXLINE80intmain(void){intn;intfd[2];pid_tpid;charline[MAXLINE];if(pipe(fd)0){perror(pipe);exit(1);}if((pid=fork())0){perror(fork);exit(1);}if(pid0){/*parent*/close(fd[0]);write(fd[1],helloworld\n,12);wait(NULL);}else{/*child*/close(fd[1]);n=read(fd[0],line,MAXLINE);write(STDOUT_FILENO,line,n);}return0;}使用管道有一些限制：两个进程通过一个管道只能实现单向通信，比如上面的例子，父进程写子进程读，如果有时候也需要子进程写父进程读，就必须另开一个管道。请读者思考，如果只开一个管道，但是父进程不关闭读端，子进程也不关闭写端，双方都有读端和写端，为什么不能实现双向通信？管道的读写端通过打开的文件描述符来传递，因此要通信的两个进程必须从它们的公共祖先那里继承管道文件描述符。上面的例子是父进程把文件描述符传给子进程之后父子进程之间通信，也可以父进程fork两次，把文件描述符传给两个子进程，然后两个子进程之间通信，总之需要通过fork传递文件描述符使两个进程都能访问同一管道，它们才能通信。使用管道需要注意以下4种特殊情况（假设都是阻塞I/O操作，没有设置O_NONBLOCK标志）：1.如果所有指向管道写端的文件描述符都关闭了（管道写端的引用计数等于0），而仍然有进程从管道的读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会返回0，就像读到文件末尾一样。2.如果有指向管道写端的文件描述符没关闭（管道写端的引用计数大于0），而持有管道写端的进程也没有向管道中写数据，这时有进程从管道读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会阻塞，直到管道中有数据可读了才读取数据并返回。3.如果所有指向管道读端的文件描述符都关闭了（管道读端的引用计数等于0），这时有进程向管道的写端write，那么该进程会收到信号SIGPIPE，通常会导致进程异常终止。4.如果有指向管道读端的文件描述符没关闭（管道读端的引用计数大于0），而持有管道读端的进程也没有从管道中读数据，这时有进程向管道写端写数据，那么在管道被写满时再次write会阻塞，直到管道中有空位置了才写入数据并返回。管道的这四种特殊情况具有普遍意义。3.2其它IPC机制进程间通信必须通过内核提供的通道，而且必须有一种办法在进程中标识内核提供的某个通道，上一节讲的管道是用打开的文件描述符来标识的。如果要互相通信的几个进程没有从公共祖先那里继承文件描述符，它们怎么通信呢？内核提供一条通道不成问题，问题是如何标识这条通道才能使各进程都可以访问它？文件系统中的路径名是全局的，各进程都可以访问，因此可以用文件系统中的路径名来标识一个IPC通道。FIFO和UNIXDomainSocket这两种IPC机制都是利用文件系统中的特殊文件来标识的。可以用mkfifo命令创建一个FIFO文件：$mkfifohello$ls-lhelloprw-r--r--1akaeduakaedu02008-10-3010:44helloFIFO文件在磁盘上没有数据块，仅用来标识内核中的一条通道，各进程可以打开这个文件进行read/write，实际上是在读写内核通道（根本原因在于这个file结构体所指向的read、write函数和常规文件不一样），这样就实现了进程间通信。UNIXDomainSocket和FIFO的原理类似，也需要一个特殊的socket文件来标识内核中的通道，例如/var/run目录下有很多系统服务的socket文件：$ls-l/var/run/total52srw-rw-rw-1rootroot02008-10-3000:24acpid.socket...srw-rw-rw-1rootroot02008-10-3000:25gdm_socket...srw-rw-rw-1rootroot02008-10-3000:24sdp...srwxr-xr-x1rootroot02008-10-3000:42synaptic.socket文件类型s表示socket，这些文件在磁盘上也没有数据块。UNIXDomainSocket是目前最广泛使用的IPC机制，到后面讲socket编程时再详细介绍。现在把进程之间传递信息的各种途径（包括各种IPC机制）总结如下：父进程通过fork可以将打开文件的描述符传递给子进程子进程结束时，父进程调用wait可以得到子进程的终止信息几个进程可以在文件系统中读写某个共享文件，也可以通过给文件加锁来实现进程间同步进程之间互发信号，一般使用SIGUSR1和SIGUSR2实现用户自定义功能管道FIFOmmap函数，几个进程可以映射同一内存区SYSVIPC，以前的SYSVUNIX系统实现的IPC机制，包括消息队列、信号量和共享内存，现在已经基本废弃UNIXDomainSocket，目前最广泛使用的IPC机制