2022年操作系统实验 .pdf

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1、操作系统实验1 实验五进程通信一目的和要求学习如何利用管道机制、消息缓冲队列、共享存储区机制进行进程间的通信，并加深对上述通信机制的理解。二实验内容1、了解系统调用 pipe( ),msgget( ), msgsnd( ),msgrcv( ), msgctl( ), shmget( ), shmat( ), shmdt( ), shmctl( )的功能和实现过程。2、利用 pipe( ) 等系统调用编写一段程序，并发进程间通过管道实现数据传送。3、利用 msgget( )、msgsnd( )、msgrcv( )、msgctl( )等系统调用编写一段程序，实现并发进程间消息的发送和接收。4、利用

2、 shmget( )、shmat( )、shmdt( )、shmctl( )等系统调用编写一段程序，并发进程间通过共享存储区实现数据传送。三实验提示一般来讲，在完整安装的 Linux 系统下，/usr/src/linux目录下的文件就是内核源码。另外，还可以从Internet上下载， http:/www.kernel.org/是比较权威的下载站点。任务 1：了解系统调用 pipe( ),read( ),write( ),msgget( ), msgsnd( ),msgrcv( ), msgctl( ), shmgt( ), shmat( ), shmdt( ), shmctl( )的功能和实现

3、过程。任务 2：并发进程间通过管道实现数据传送所谓管道，是指能够连接写进程和读进程的、并允许它们以生产者消费者方式进行通信的一个共享文件，又称为pipe 文件。由写进程从管道的写入端将数据写入管道，而读进程则从管道的读出端读出数据。管道分有名管道和无名管道。无名管道是利用pipe( )建立起来的一个无名的临时文件，只用该系统调用所返回的文件描述符来标识该文件，故只有创建管道的进程及其子孙进程才能识别此文件描述符，才能利用该文件（管道）进行通信。程序说明：父进程准备好读、写缓冲区，创建一个无名管道；父进程分别创建两个子进程；每个子进程通过管道向父进程传送一个(50 字符以内的 ) 字符串，然后结

4、束；父进程等待子进程传来的数据，从管道中接收到数据后，将字符串从屏幕上显示出来，然后结束。涉及到的系统调用：1、pipe( ) 系统调用格式名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 12 页 - - - - - - - - - 操作系统实验2 pipe(filedes) 参数定义int pipe(filedes); int filedes2; 其中， filedes1是写入端， filedes0是读出端。该函数使用头文件如下：#include #inlcude #i

5、nclude 功能：建立一无名管道。管道建立后，写进程将数据写入文件filedes1，读进程从文件 filedes0中读数据，从而实现读 / 写进程的管道通信。管道是一个共享资源，写/ 写进程、读 / 写进程应互斥使用管道。 2 、read( )/*Windows 中的 C语言也有此函数 */ 系统调用格式 read(fd,buf,nbyte) 功能： 从 fd 所指示的文件中读出nbyte 个字节的数据，并将它们送至由指针buf所指示的缓冲区中。如果该文件被加锁，则等待，直到锁打开为止。参数定义 int read(fd,buf,nbyte); int fd; char *buf; unsig

6、ned nbyte; 3、write( ) /*Windows 中的 C语言也有此函数 */ 系统调用格式 write(fd,buf,nbyte) 功能：把 nbyte 个字节的数据， 从 buf 所指向的缓冲区写到由fd 所指向的文件中。如果文件被加锁，则暂停写入，直至开锁。参数定义 同 read( ) 。编写、运行程序，观察运行结果，并分析。任务 3：利用 msgget( ) 、msgsnd( ) 、msgrcv( ) 、msgctl( )等系统调用编写两个程序client.c和 server.c ，分别用于消息的发送和接收。server 建立一个 key 为 75的消息队列，等待其它进程

7、发来的消息。当遇到类型为1 的消息，则作为结束信号，取消该队列，并退出server 。server 每接收到一个消息后显示一句“ (server)received” 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 12 页 - - - - - - - - - 操作系统实验3 client使用 key 为 75 的消息队列， 先后发送类型从 10 到 1 的消息，然后退出。最后一个消息，即是server 端需要的结束信号。 client每发送一条消息后显示一句“(clie

8、nt)sent” 。server.c参考程序如下：#include #include #include #include #include #define MSGKEY 75 struct msgform long mtype; char mtext1000; msg; int msgqid; void server() msgqid=msgget(MSGKEY,0777|IPC_CREAT); /*创建 75#消息队列 */ do msgrcv(msgqid,&msg,1030,0,0); /*接收消息 */ printf(server)receivedn); while(msg.mtype

9、!=1); msgctl(msgqid,IPC_RMID,0); /*删除消息队列，归还资源 */ exit(0); main() server(); client.c参考程序如下：#include #include #include #include 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 12 页 - - - - - - - - - 操作系统实验4 #include #define MSGKEY 75 struct msgform long mtype; ch

10、ar mtext1000; msg; int msgqid; void client() int i; msgqid=msgget(MSGKEY,0777); /*打开 75#消息队列 */ for(i=10;i=1;i-) msg.mtype=i; printf(client)sentn); msgsnd(msgqid,&msg,1024,0); /*发送消息 */ exit(0); main() client(); 将上述两个程序分别编译为server 和 client，并按以下方式执行：./server & ipcs q ./client Client和 server 分别发送和接收了1

11、0条消息。观察运行结果， 注意发送方发送消息和接收方接收消息的顺序。涉及到的系统调用：1、msgget( ) 系统调用格式int msgget(key_t key, int msgflg); 功能：获取与某个键关联的消息队列标识。消息队列被建立的情况有两种：（1）如果键的值是 IPC_PRIVATE 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 12 页 - - - - - - - - - 操作系统实验5 （2）或者键的值不是 IPC_PRIVATE ，并且键所对应的

12、消息队列不存在，同时标志中指定 IPC_CREAT 。参数定义key：消息队列关联的键。msgflg ：消息队列的建立标志和存取权限。返回说明：成功执行时，返回消息队列标识值。失败返回-1，errno 被设为以下的某个值：EACCES：指定的消息队列已存在，但调用进程没有权限访问它，而且不拥有CAP_IPC_OWNER权限EEXIST ： key 指定的消息队列已存在， 而 msgflg 中同时指定 IPC_CREAT 和 IPC_EXCL标志ENOENT：key 指定的消息队列不存在同时msgflg 中不指定 IPC_CREAT 标志ENOMEM：需要建立消息队列，但内存不足ENOSPC：需

13、要建立消息队列，但已达到系统的限制该函数使用头文件如下：#include #include #include 2、msgsnd( ) 和 msgrcv( )系统调用格式int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg); ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg); 功能：在消息队列上进行收发消息。为了发送消息，调用进程对消息队列必须有写权限。接收消息时必须有读权限。参数定义msqid：消息队列的识别码。m

14、sgp ：指向消息缓冲区的指针，此位置用来暂时存储发送和接收的消息，是一个用户可定义的通用结构，形态如下struct msgbuf long mtype; /* 消息类型，必须 0 */ char mtext100; /* 消息文本 */ ; msgsz ：消息的大小。msgtyp：从消息队列内读取的消息形态。如果值为零，则表示消息队列中的所有消息都会被读取。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 12 页 - - - - - - - - - 操作系统实验6 ms

15、gflg ：用来指明核心程序在队列没有数据的情况下所应采取的行动。如果 msgflg和常数 IPC_NOWAIT 合用，则在 msgsnd()执行时若是消息队列已满，则msgsnd()将不会阻塞，而会立即返回 -1，如果执行的是 msgrcv() ，则在消息队列呈空时，不做等待马上返回-1，并设定错误码为 ENOMSG。当 msgflg 为 0 时，msgsnd()及 msgrcv() 在队列呈满或呈空的情形时，采取阻塞等待的处理模式。该函数使用头文件如下：#include #include #include 返回说明：成功执行时， msgsnd()返回 0，msgrcv() 返回拷贝到 mt

16、ext 数组的实际字节数。失败两者都返回 -1，errno 被设为以下的某个值： 对于 msgsnd EACCES：调用进程在消息队列上没有写权限，同时没有CAP_IPC_OWNER权限EAGAIN ：由于消息队列的msg_qbytes 的限制和 msgflg 中指定 IPC_NOWAIT 标志，消息不能被发送EFAULT ：msgp指针指向的内存空间不可访问EIDRM ：消息队列已被删除EINTR ：等待消息队列空间可用时被信号中断EINVAL ：参数无效ENOMEM：系统内存不足，无法将msgp指向的消息拷贝进来 对于 msgrcv E2BIG ：消息文本长度大于msgsz ，并且 msg

17、flg 中没有指定 MSG_NOERROR EACCES：调用进程没有读权限，同时没具有CAP_IPC_OWNER权限EAGAIN ：消息队列为空，并且msgflg 中没有指定 IPC_NOWAIT EFAULT ：msgp指向的空间不可访问EIDRM ：当进程睡眠等待接收消息时，消息已被删除EINTR ：当进程睡眠等待接收消息时，被信号中断EINVAL ：参数无效ENOMSG：msgflg 中指定了 IPC_NOWAIT，同时所请求类型的消息不存在3、msgctl( )系统调用格式int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf); 功能

18、：在指定的消息队列上执行某种控制操作。参数定义msqid：消息队列识别码。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 12 页 - - - - - - - - - 操作系统实验7 cmd ：操作命令，可能值在下面给出：IPC_STAT ：将 msqid 所指定的消息队列的信息拷贝一份到buf 指针所指向的地址。调用者必须对消息队列有读权限。IPC_SET ：将由 buf 所指向的 msqid_ds 结构的一些成员写入到与这个消息队列关联的内核结构。 同时更新的字段有m

19、sg_ctime。结构体的以下成员会被更新： msg_qbytes，msg_perm.uid，msg_perm.gid 和 msg_perm.mode 的低九位。调用进程的有效标识必须匹配消息队列属主 (msg_perm.uid) 或建立者 (msg_perm.uid) ，或者调用者必须拥有相关的特权(如 Linux 下的 CAP_IPC_RESOURCE)。IPC_RMID ：删除指定的消息队列，唤醒所有等待中的读者和写者进程。IPC_INFO ：(Linux 特有命令 ) 获取系统范围内消息队列的制约和其它参数，并储存在 buf 指向的结构。这一操作需要将msginfo 类型造型成 msq

20、id_ds，msginfo 定义于 ，下面列出它的原型：struct msginfo int msgpool; /* 用于保存消息数据的缓冲池大小， 字节为单位，尚未被使用 */ int msgmap; /* 消息映射中的最大入口，尚未被使用 */ int msgmax; /* 能够写入单个消息的最大字节数 */ int msgmnb; /* 能够写入消息队列的最大字节数; 队列建立期间用于初始化msg_qbytes 字段 */ int msgmni; /* 系统允许的最大消息队列数 */ int msgssz; /* 消息段大小，尚未被使用 */ int msgtql; /* 队列上能够存放

21、的最大消息数，尚未被使用 */ unsigned short int msgseg; /* 消息可用的最大段数，尚未被使用 */ ; MSG_INFO：(Linux 特有命令 )返回和 IPC_INFO命令相同的信息。 除了下面字段用消息队列耗费的系统资源信息填充外： msgpool 字段包含有当前系统存在的消息数。 msgmap字段包含有系统范围内所有队列的消息总量。msgtql 字段包含有系统范围所有消息的总字节数。MSG_STAT：(Linux 特有命令 ) 返回和 IPC_STAT 命令相同的信息。区别在于msqid参数并非队列标识，而是内核内部存放所有消息队列信息数组的索引。buf

22、：用于描述某个消息队列的元数据，下面给出它的原型：struct msqid_ds struct ipc_perm msg_perm; /* 队列的属主和权限 */ time_t msg_stime; /* 最后一次 msgsnd()操作的时间 */ time_t msg_rtime; /* 最后一次 msgrcv() 操作的时间 */ time_t msg_ctime; /* 最后一次队列改变的时间 */ unsigned long _msg_cbytes; /* 当前队列上包含的字节数 */ 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -

23、 - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 12 页 - - - - - - - - - 操作系统实验8 msgqnum_t msg_qnum; /* 当前队列上包含的消息数 */ msglen_t msg_qbytes; /* 队列上允许的最大字节数 */ pid_t msg_lspid; /* 最后一次执行 msgsnd()的进程标识 */ pid_t msg_lrpid; /* 最后一次执行 msgrcv() 的进程标识 */ ; ipc_perm 结构定义在 ，原型如下：struct ipc_perm key_t key; /* 提供给 msgget() 的

24、键 */ uid_t uid; /* 属主的有效 UID */ gid_t gid; /* 属主的有效 GID */ uid_t cuid; /* 建立者的有效 UID */ gid_t cgid; /* 建立者的有效 GID */ unsigned short mode; /* 权限位 */ unsigned short seq; /* 系列号 */ ; 该函数使用头文件如下：#include #include #include 返回说明：成功执行时， IPC_STAT ，IPC_SET和 IPC_RMID 返回 0。IPC_INFO 或 MSG_INFO 返回内核内部记录所有消息队列信息数

25、组的最高可用入口索引。MSG_STAT返回队列标识。 失败返回 -1，errno 被设为以下的某个值：EACCES：权限不足EFAULT ：buf 所指向的空间不可访问EIDRM ：消息队列已被删除EINVAL ：参数无效EPERM：操作不允许任务 4：并发进程间通过共享存储区实现数据传送参考程序：#include #include #include #define SHMKEY 75 int shmid,i,p1,p2; 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共

26、12 页 - - - - - - - - - 操作系统实验9 int *addr; void CLIENT()/*发送过程 */ int i; shmid=shmget(SHMKEY,1024,0777);/* 打开共享存储区 */ addr=(int *)shmat(shmid,0,0); /*获取共享存储区的首地址*/ for (i=29;i=0;i-) while (*addr!=-1);/*判断是否可写 */ *addr=i;/*写数据 */ printf(%d,*addr); printf(client)sentn); exit(0); void SERVER()/* 接收进程 */

27、 int i; shmid=shmget(SHMKEY,1024,0777|IPC_CREAT); /*创建共享存储区 */ addr=(int *)shmat(shmid,0,0); do *addr=-1; while (*addr=-1);/*判断信息是否传来 */ printf(%d,*addr+30); /*读，并加工数据 */ printf(server)receivedn); while(*addr); shmctl(shmid,IPC_RMID,0); /*撤消共享存储区，归还资源*/ exit(0); main() while (p1=fork()=-1);/*父进程 */

28、if (p1=0) SERVER();/*子进程 p1*/ while (p2=fork()=-1); /*父进程 */ if (p2=0) CLIENT();/*子进程 p2*/ 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 12 页 - - - - - - - - - 操作系统实验10 wait(0); /*父进程 */ wait(0); /*父进程 */ 程序说明：用主程序作为“引子”，先后fork()两个子进程， SERVER 和 CLIENT ，让它们利用共享

29、存储区的方式进行通信：CLIENT端获取一个 KEY为 75 的共享区，当共享区第一个字节的值为-1 时，表示SERVER 端空闲。这时 CLIENT向共享区中填入要发送的数据， 同时显示自己发送的数据，然后显示一句“ (client)sent ”。SERVER 端获取 ( 如果还没有就创建 ) 一个 KEY为 75的共享存储区，并将第一个字节置为-1，作为数据空的标志，等待其他进程发来的消息。当该字节的值发生变化时，表示收到了信息， SERVER 取得该数据，进行处理，然后将处理结果显示出来，再显示一句“(server)received”。发送和接收的过程循环进行30 次。父进程在 SERV

30、ER 和 CLIENT均退出后结束。涉及到的系统调用：1、shmget( ) 用于创建（或者获取）一个由key 键值指定的共享内存对象，返回该对象的系统标识符： shmid；系统调用格式：shmid=shmget(key,size,flag) 该函数使用头文件如下：#include #include #include 参数定义 int shmget(key,size,flag); key_t key; int size,flag; 其中， key 是共享存储区的名字； size 是其大小（以字节计） ；flag是用户设置的标志，如 IPC_CREAT 。IPC_CREAT 表示若系统中尚无指名

31、的共享存储区，则由核心建立一个共享存储区；若系统中已有共享存储区，便忽略IPC_CREAT 。2、shmat( ) 共享存储区的附接。从逻辑上将一个共享存储区附接到进程的虚拟地址空间上。用于建立调用进程与由标识符shmid 指定的共享内存对象之间的连接。系统调用格式：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 12 页 - - - - - - - - - 操作系统实验11 virtaddr=shmat(shmid,addr,flag) 该函数使用头文件如下：#inc

32、lude #include #include 参数定义 char *shmat(shmid,addr,flag); int shmid; /*SHM标识符 */ char *addr; /*相当于偏移量 */ int flag; /*标志*/ 其中，shmid 是共享存储区的标识符； addr 是用户给定的，将共享存储区附接到进程的虚地址空间； flag规定共享存储区的读、 写权限，以及系统是否应对用户规定的地址做舍入操作。其值为SHM_RDONLY时，表示只能读；其值为0 时，表示可读、可写；其值为 SHM_RND（取整）时，表示操作系统在必要时舍去这个地址。该系统调用的作用是将共享内存附接

33、到进程的数据段上。实际上是将共享内存在主存中的地址 +addr 后赋值给进程中的某一指针。addr 相当于偏移量 , 相对于共享内存在主存中的起始地址。 返回值是共享存储区所附接到的进程虚地址virtaddr。调用失败时返回(char*)-1。3、shmdt( ) 用于断开调用进程与共享内存对象之间的连接, 成功时返回 0, 失败时返回 -1 。系统调用格式：int shmdt(shmaddr) char *shmaddr;/*采用 shmat 函数的返回值 */ 4、shmctl( ) 共享存储区的控制，对其状态信息进行读取和修改。用于对已创建的共享内存对象进行查询、设置、删除等操作。系统调

34、用格式： shmctl(shmid,cmd,buf) 该函数使用头文件如下：#include #include #include 参数定义 int shmctl(shmid,cmd,buf); int shmid; /*由 shmget 获取的 SHM 的标识符 */ int cmd; /*将对 SHM 进行的控制命令 */ 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 12 页 - - - - - - - - - 操作系统实验12 struct shmid_ds *

35、buf; /*存放操作数 */ 其中， buf 是用户缓冲区地址， cmd是操作命令。命令可分为多种类型：（1）用于查询有关共享存储区的情况。如其长度、当前连接的进程数、共享区的创建者标识符等；（2）用于设置或改变共享存储区的属性。如共享存储区的许可权、当前连接的进程计数等；（3）对共享存储区的加锁和解锁命令；（4）删除共享存储区标识符等。作用是对共享内存进行由cmd指定的控制操作。 cmd的值比较有用的是下面两个: IPC_SET对于规定的 shmid, 设置有效用户和组标识及操作权限。IPC_RMID连同其相关的 SHM 段数据结构一起 , 删除规定的 shmid。执行 IPC_SET或I

36、PC_RMID 的进程必须具有 Owner/Creator 或超级用户的有效用户标识。系统创建的 SHM 仅仅是内存中一块连续的区域, 本身并没有结构。用户进程对共享内存不能直接进行存取 , 需要将共享内存附接在进程的数据段上, 进程才能对其进行存取, 实现方法是 : 用户进程可以根据需要自行定义一个数据结构(如 pidtos),然后将共享内存的地址用函数shmat 赋值给指向结构 pidtos的指针 buf, 相当于是给指针变量分配内存, 让 buf 指向共享内存的起始处。 然后就可用数组的方法 , 按数据结构的长度等分共享内存。这个过程可称之为共享内存的 结构化 。运行程序，观察运行结果，并分析。四思考题进程的高级通信有哪几种类型？名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 12 页 - - - - - - - - -