共享内存和信号量(进程间通信)

实验7共享内存和信号量（进程间通信）邢卫2008-11-26修订实验目的学习并掌握Linux系统中的进程间通信机制，包括共享内存和信号量。实验内容1.学习共享内存相关的系统调用shmget(),shmat(),shmdt,shmctl()2.学习信号量（semaphore）相关的系统调用semget(),semop(),semctl()3.学习信号（signal）相关的系统调用signal(),atexit()等4.完成《边干边学》第6.4.1节的实验程序的编辑、编译、运行操作5.分析、学习实验程序的工作过程和原理6.选做：学习《边干边学》第6章，结合使用联机手册（可以从man2ipc命令开始），编程练习各种进程间通信机制实验步骤1．以stu帐号登录2．编辑reader_writer1.c程序注意：在193页delete（）函数中，注意改成if(mysemctl(Semid,0,IPC_RMID,(unionsemun)0)==-1){限于实验的时间，该文件已预先存放在/home/stu/.kernel/lab6目录下，可以直接使用。但每位同学务必通读并理解该程序。登录后，使用cd.kernel/lab6命令进入该文件所在目录，继续以下实验步骤。3．编译gccreader_writer1.c-oreader_writer14．运行./reader_writer1注意记录下共享内存的id号5．使用Alt+F2切换到第2个登录窗口，再次以stu帐号登录可以使用who命令查看验证此时有两个stu用户已登录可以使用ps–l命令查看这两个stu用户的进程6．在第2个stu用户窗口中，输入./reader_writer1共享内存的id号注意：此时，第2个stu用户窗口中的进程担当writer角色，第1个stu用户窗口中的进程担当reader角色。7．在第2个窗口中，多次输入信息；使用Alt+F1和Alt+F2在两个窗口间切换，观察你对writer的输入，writer已经通过共享内存传递给了reader。8．此时，你还可以使用Alt+F3切换到第3个登录窗口，并以stu帐号登录可以使用who命令验证有3个stu用户登录；可以经常性使用ps–l命令来查看另外两个窗口中的进程的状态9．切换到writer窗口（第2个窗口），通过对writer的问题回答“2”，退出writer。切换到reader窗口（第1个窗口），通过Ctrl+C终止reader进程。思考题1.同样的源程序，reader和writer进程是怎样各自找到自己的定位的？2.reader和writer是怎样通过信号量（semphore）实现同步的？writer是如何得知这一对信号量的id的？3.数据是如何从writer传递到reader的？4.writer是如何得知共享内存的id的？5.在reader中，是如何捕获Ctrl-C信号（signal）的？捕获后是如何处理的？6.一般来说，在Linux中使用共享内存（sharedmemory）的流程应该怎样？使用哪些系统调用？7.一般来说，在Linux中使用信号量（semaphore）的流程应该怎样？使用哪些系统调用？8.这里的共享内存，和使用带CLONE_VM标志的clone（）系统调用创建的两个task之间共享的内存，有什么异同？参考资料《边干边学》（第1版）第6章，“共享内存”具体源程序和实验操作详见6.4.1节附录1共享内存的使用共享内存共有4个系统调用：shmget，shmat，shmdt，shmctlintshmget(key_tkey,intsize,intshmflg);典型的创建共享内存的用法shmid=shmget(key,size,IPC_CREAT|IPC_EXCL|mode);shmid=shmget(IPC_PRIVATE,size,mode);void*shmat(intshmid,constvoid*shmaddr,intshmflg);典型用法：shmaddr=shmat(shmid,NULL,0);intshmdt(constvoid*shmaddr);intshmctl(intshmid,intcmd,structshmid_ds*buf);典型用法：取状态shmctl(shmid,IPC_STAT,&buf);删除shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);实例structshmid_dsbuf;shmid=shmget(key,size,flag);if(shmid==-1){//errorhandling...}shmctl(shmid,IPC_STAT,&buf);//分析利用buf中的信息shmaddr=(char*)shmat(id,NULL,0);if(shmaddr==-1){//errorhandling...}通过shmaddr使用共享内存的部分，如strcpy,sprintf,memcmp,赋值操作，等等shmdt(shmaddr)；shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);附录2实验原理说明本实验将建立一个利用共享内存来传递信息的程序，一个writer，一个reader，writer从用户处获得输入，然后将其写入共享内存，reader从共享内存获取信息，然后再在屏幕上打印出来。利用共享内存在进程之间传递信息时，需要一种同步机制，必须有一种途径让reader知道什么时候writer已经把信息放入了共享内存。最简单的方法，是在某处设置一个字节，当writer的数据写入完毕后，即把该字节设置为1。但是这也意味着reader必须不停地测试这个字节，直到该字节改变为止，这是非常浪费的。同样，对于writer来说，也必须有一种途径知道什么时候reader已经取走了共享内存的数据，从而可以向共享内存写入新的数据。因此，我们考虑用信号量（semaphore）来解决这个程序对于共享内存进行操作的同步问题，关于信号量的编程，请参考Linuxman手册。目前这个程序只支持两个进程，一个reader，一个writer。在稍后的时候，我们将改进这个程序使得其能够支持任意数目的进程。在这个程序中，我们使用两个信号量，一个用于读（SN_READ），一个用于写（SN_WRITE）。SN_READ初始化为1，SN_WRITE初始化为0。即SN_READ这个信号量在最初的时候就是被锁住的，而SN_WRITE这个信号量则不是。writer在往共享内存里写信息时，首先要锁定SN_WRITE信号量。在写完之后，释放SN_READ信号量，使得reader可以读取该信息；锁定SN_WRITE这个信号量，是为了防止writer多次打印共享内存中的信息。reader读取共享内存的信息时，相应地要先锁定SN_READ这个信号量，读取信息后，释放SN_WRITE这个信号量，使得writer又可以往共享内存里面写入信息。程序源代码参见reader_writer1.c。编译：gccreader_writer1.c–oreader_writer1在此之后，即可启动reader。实验中必须先启动reader，因为使用的信号量、共享内存都是在reader中申请的。在命令行输入：./reader_writer1运行结果为：readerbegintorun，andtheidofsharememoryis229376waitforthewriter’soutputinformation...然后再启动writer，带的参数为reader申请的共享内存的标识符。在命令行输入：./reader_writer1229376运行结果为：writerbegintorun，theidofsharememoryis229376,semaphoreidis196608menu1.sendamessage2.quitinputyourchoice（1-2）:1waitforreadertoreadininformation...finishpleaseinputinformation:在提示后面输入：hello,reader随即，reader那边将打印这条信息。然后循环往复。不再累赘。关于退出：writer可以通过菜单退出，reader可以在writer退出后，按Ctrl+C退出，退出reader时，它将自动删除最初申请信号量。附录3reader_write1.c源程序/****reader_writer1.ccommunicatethroughsharedmemory****/#includestdio.h#includesys/types.h#includesys/ipc.h#includesys/sem.h#includesys/shm.h#includestdlib.h#includeerrno.h#includestring.h#includesignal.h/*Theunionforsemctlmayormaynotbedefinedforus.Thiscode,definedinlinux'ssemctl()manpage,istheproperwaytoattainitifnecessary*/#ifdefined(__GNU_LIBRARY__)&&!defined(_SEM_SEMUN_UNDEFINED)/*unionsemunisdefinedbyincludingsys/sem.h*/#else/*accordingtoX/OPENwehavetodefineitourselves*/unionsemun{intval;/*valueforSETVAL*/structsemid_ds*buf;/*bufferforIPC_STAT,IPC_SET*/unsignedshortint*array;/*arrayforGETALL,SETALL*/structseminfo*__buf;/*bufferforIPC_INFO*/};#endif#defineSHMDATASIZE1000#defineBUFFERSIZE(SHMDATASIZE-sizeof(int))#defineSN_READ0#defineSN_WRITE1intSemid=0;voidreader(void);voidwriter(intshmid);voiddelete(void);voidsigdelete(intsignum);voidlocksem(intsemid,intsemnum);voidunlocksem(intsemid,intsemnum);voidwaitzero(intsemid,intsemnum);voidwrite(intshmid,intsemid,char*buffer);intmysemget(key_tkey,intnsems,intsemflg);intmysemctl(intsemid,intsemnum,intcmd,unionsemunarg);intmysemop(intsemid,structsembuf*sops,unsignednsops);intmyshmget(key_tkey,intsize,intshmflg);void*myshmat(intshmid,constvoid*shmaddr,intshmflg);intmyshmctl(intshmid,intcmd,structshmid_ds*buf);intmain(intargc,char*argv[]){/*nocommandlineparameter,areader*/if(argc2){reader();}else{writer(atoi(argv[1]));}return0;}voidreader(void){unionsemunsunion;intsemid,shmid;void*shmdata;char*buffer;/*first,crea