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1、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m
2、an 2 ipc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, (union semun)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 gcc reader_writer1.c -o reader_writer14运行 ./re
3、ader_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
4、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
5、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（shared memory）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l 边干边学（第1版）第6章，“共享内存”n 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，
6、shmctlint shmget(key_t key, int size, int shmflg);典型的创建共享内存的用法l shmid = shmget(key, size, IPC_CREAT | IPC_EXCL | mode);l shmid = shmget(IPC_PRIVATE, size, mode);void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);典型用法：l shmaddr = shmat(shmid, NULL, 0);int shmdt(const void *shmaddr);int shmctl(in
7、t shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);典型用法：l 取状态shmctl(shmid, IPC_STAT, &buf);l 删除shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);实例struct shmid_ds buf;shmid = shmget(key, size, flag);if (shmid = -1) / error handling .shmctl(shmid, IPC_STAT, &buf);/ 分析利用buf中的信息shmaddr = (char *)shmat(id, NULL, 0);if (shmaddr = -1)
8、/ error handling .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
9、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Linux man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_REA
10、D），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_wri
11、ter1.c。编译：gcc reader_writer1.c o reader_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：reader begin to run，and the id of share memory is 229376 wait for the writers output information.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_writer1 229376运行结
12、果为：writer begin to run，the id of share memory is 229376, semaphore id is 196608menu1.send a message2.quitinput your choice（1-2）:1wait for reader to read in information.finishplease input information: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+
13、C退出，退出reader时，它将自动删除最初申请信号量。附录3 reader_write1.c源程序/* reader_writer1.c communicate through shared memory */#include #include #include #include #include #include #include #include #include /* The union for semctl may or may not be defined for us.This code,defined in linuxs semctl() manpage,is the prop
14、er way to attain it if necessary */#if defined (_GNU_LIBRARY_)& !defined (_SEM_SEMUN_UNDEFINED)/* union semun is defined by including */#else/* according to X/OPEN we have to define it ourselves */union semunint val;/* value for SETVAL */struct semid_ds *buf;/* buffer for IPC_STAT,IPC_SET */unsigned short int *array;/* array for GETALL,SETALL */struct seminfo *_buf;/* buffer for IPC_INFO */;#endif#define SHMDATASIZE 1000#define BUFFERSIZE (SHMDATASIZE - sizeof(int)#define SN_READ 0#define SN_WRITE1int Semid = 0;void reader(void);void writer(int shmid);void delete(void);void s
