Linux内核与编程

Linux内核与编程·厦门大学软件学院实验三使用Linux高级IPC陈毅东Linux内核与编程厦门大学软件学院提纲结束•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–SystemV信号灯–SystemV共享内存区•实现的其他问题•实习题Linux内核与编程厦门大学软件学院进程间通信概述（1）：引子#includeunistd.h#includesys/types.hintresult;main(){pid_tpid;result=0;pid=fork();if(pid0)exit(-1);if(pid){pid=fork();if(pid0)exit(-1);if(pid==0){sleep(3);result=result+20;exit(0);}}else{sleep(3);result=result+10;exit(0);}while(wait((int*)0)!=-1);printf(%d\n,result);exit(0);}输出结果是什么？Linux内核与编程厦门大学软件学院进程间通信概述（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）。•UNIXIPC(InterProcessCommunication)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。Linux内核与编程厦门大学软件学院进程间通信概述（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“SystemVIPC”，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。Linux内核与编程厦门大学软件学院进程间通信概述（4）返回最初的UNIXIPCSystemVIPC基于Socket的IPCLinuxIPCPOSIXIPC•最初的UnixIPC：信号、管道、FIFO；•SystemVIPC：消息队列、信号量、共享内存区；•POSIXIPC：消息队列、信号量、共享内存区。Linux内核与编程厦门大学软件学院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。返回Linux内核与编程厦门大学软件学院错误与不好的解法（1）•解法一：可能进入“死锁”状态#defineN5voidphilosopher(inti){while(TRUE){think();take-chopstick(i);take-chopstick((i+1)%N);eat();put-chopstick(i);put-chopstick((i+1)%N);}}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。Linux内核与编程厦门大学软件学院错误与不好的解法（2）#defineN5voidphilosopher(inti){while(TRUE){think();do{take-chopstick(i);if(can-take-chopstick((i+1)%N))break;elseput-chopstick(i);}while(TRUE);eat();put-chopstick(i);put-chopstick((i+1)%N);}}•解法二：可能进入“饥饿”状态不妨假设此函数能做到“测试且设置”。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。Linux内核与编程厦门大学软件学院错误与不好的解法（3）#defineN5typedefintsemaphore;semaphoremutex=1;voidphilosopher(inti){while(TRUE){think();down(mutex);take-chopstick(i);take-chopstick((i+1)%N);eat();put-chopstick(i);put-chopstick((i+1)%N);up(mutex);}}返回•解法三：可行但效率低下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。Linux内核与编程厦门大学软件学院并行度较高的解法（1）#defineN5#defineLEFT(i+N-1)%N#defineRIGHT(i+1)%N#defineTHINKING0#defineHUNGRY1#defineEATING2typedefintsemaphore;intstate[N];semaphoremutex=1;semaphores[N];voidphilosopher(inti){while(TRUE){think();take-chopsticks(i);eat();put-chopsticks(i);}}Linux内核与编程厦门大学软件学院并行度较高的解法（2）返回voidput-chopsticks(inti){down(&mutex);state[i]=THINKING;test(LEFT);test(RIGHT);up(&mutex);}voidtest(i){if(state[i]==HUNGRY&&state[LEFT]!=EATING&&state[RIGHT]!=EATING){state[i]=EATING;up(&s[i]);}}voidtake-chopsticks(inti){down(&mutex);state[i]=HUNGRY;test(i);up(&mutex);down(&s[i]);}Linux内核与编程厦门大学软件学院概述•SystemVIPC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.hsys/shm.h创建或打开IPCsemgetshmget控制IPC操作semctlshmctlIPC操作函数semopshmat,shmdt•SystemVIPC对象以key_t类型的值作为其名字。•SystemVIPC对象以一定的存取权限来控制其访问。返回Linux内核与编程厦门大学软件学院SystemVIPC的名字•SystemVIPC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：#includesys/types.h#includesys/ipc.hkey_tftok(constchar*pathname,intid);–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Linux内核与编程厦门大学软件学院SystemVIPC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。•SystemVIPC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Linux内核与编程厦门大学软件学院SystemV信号灯•semget•semctl•semop•down和up的实现返回Linux内核与编程厦门大学软件学院semget(1)——函数说明•原型：#includesys/types.h#includesys/ipc.h#includesys/sem.hintsemget(key_tkey,intnsems,intoflag);•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。Linux内核与编程厦门大学软件学院semget(2)——工作流程if(key==IPC_PRIVATE)创建新信号灯集并返回其id;elseif(与key相关的信号灯集合存在)if((oflag&IPC_CREAT)&&(oflag&IPC_EXCL))返回-1;elseif(访问权限允许)返回与key相关的信号灯集id;else返回-1;elseif(oflag&IPC_CREAT)创建新信号灯集并返回其id;else返回-1;返回Linux内核与编程厦门大学软件学院semctl(1)——函数说明•原型：#includesys/types.h#includesys/ipc.h#includesys/sem.hintsemctl(intsemid,intsemnum,intcmd,unionsemunarg);•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。Linux内核与编程厦门大学软件学院semctl(2)——unionsemun•unionsemun的定义为：unionsemun{intval;//仅用于SETVAL命令structsemid_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。返回Linux内核与编程厦门大学软件学院semop(1)——函数说明•原型：#includesys/types.h#includesys/ipc.h#includesys/sem.hintsemop(intsemid,structsembuf*opsptr,size_tnops);•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structsembuf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。Linux内核与编程厦门大学软件学院semop(2)——structsembuf•structsembuf的定义为：structsembuf{shortsem_num;//信号灯号：0,1,…,nsems-1shortsem_op;//信号灯操作：0,0,0shortsem_flg;//操作标识：这里我们只要置