1.實驗目的
學習如何利用管道機制或消息緩衝隊列進行進程間的通信，並加深對上述通信機制的理解。提高學生分析問題和解決問題的能力，並學習撰寫規範的科學研究報告。
2.實驗內容和要求
實驗內容：
編寫一段程序，使用管道來實現父子進程之間的進程通信。子進程向父進程發送自己的進程表示符，以及某字符串。父進程則通過管道讀出子進程發來的消息，將消息顯示在屏幕上，然後終止。或者，編寫一段程序，使其用消息緩衝隊列來實現client和server進程之間的通信。
實驗要求：
（1）瞭解系統pipe() ,msgsnd(), msgrcv()的功能和實現過程。
（2）編寫一段程序，使其用管道來實現父子進程之間的進程通信。
3.主要儀器設備
儀器：PC機
實驗環境： Ubuntu16.04
4.預備知識
- 管道的概念
管道是連接讀寫進程的一個共享文件，允許進程以先進先出的方式寫入和讀出數據，並對讀寫操作進行同步。發送進程以字符流形式把大量數據送入管道尾部，接收進程從管道頭部接收數據。
- 管道讀寫進程之間的同步
（1）管道應該互斥使用，管道讀寫不能同時進行。一個進程正在執行管道寫入或讀出操作時，另一進程必須等待。讀寫結束時，喚醒等待進程，自己應阻塞。
（2）讀寫雙方必須能夠知道對方是否存在，只有存在才能通信。系統發送SIGPIPE信號通知進程對方不存在。
（3）管道空間的大小通常是固定的，讀寫操作時需要考慮寫滿和讀空問題。
- pipe函數
創建管道:
int fds[2];
pipe (fds);
函數調用成功返回r/w兩個文件描述符，規定fd[0]->r;fd[1]->w。有點類似於0對應標準輸入，1對應標準輸出。向管道文件讀寫數據其實是在讀寫內核緩衝區。
- msgsnd函數
頭文件：
#include<sys/msg.h>
函數定義：
int msgsnd(int msgid, struct msgbuf *msgp, int msgsz, int msgflg);
功能：往隊列中發送一個消息
返回值：成功返回0，失敗返回-1；
參數：
msgid：消息標識id，也是msgget()函數的返回值。
msgp：指向消息緩衝區的指針，該結構體爲：
struct mymesg{
long mtype;//消息類型
char mtext[512];//存放的數據內容
}
msgsz：消息的字節大小，不包含消息類型的長度（4字節）
msgflg：可以設置爲0，控制消息進入消息隊列或返回進程中。
- msgrcv()函數
頭文件:
#include<sys/msg.h>
格式：
int msgrcv(int msgid, struct msgbuf *msgp, int msgsz, long mtype, int msgflg);
功能：讀取消息，並且把消息隊列中消息讀完。
返回值：成功返回0，失敗返回-1；
參數：
msgid:消息隊列的id號
msgp:我們要讀到的消息數據存儲消息的地址
msgsz：消息的長度
mtype：我們要從消息隊列中讀取的消息類型。如果此值爲0，則會讀取時間最長的那一條消息，即我們第一個寫入消息隊列中的消息。
msgflg：可以設置爲0，控制消息進入消息隊列或返回進程中。
- msgget()函數
頭文件：#include<sys/msg.h>
格式：int msgget(key_t key,int msgflg);
功能：創建一個消息隊列或者取得一個消息隊列；
返回值：成功則返回消息隊列的標識符，失敗返回-1；
參數：
key：消息隊列的鍵值，爲IPC_PRIVATE時創建一個只能被創建進程讀寫的消息隊列。IPC_CREAT如果內存不存在則創建一個消息隊列，否則直接取得。
- msgctl()函數
頭文件:#include<sys/msg.h>
格式：int msgctl(int msgid,int cmd,struct msgqid_ds *buf)
功能：對消息隊列的控制處理函數
返回值：成功返回0，失敗返回-1
參數：
msgid是msgget()函數的返回值
cmd 是對消息隊列的處理，如IPC_RMID是從系統內核中刪除隊列消息、IPC_STAT獲取消息隊列的詳細信息。IPC_SET設置消息隊列的信息。
buf是存放消息隊列狀態結構體的地址。
5.原理圖
- 父進程先調用pipe()創建管道，得到兩個文件描述符指向管道的讀端和寫端。
- 父進程fork()創建子進程，此時子進程也有兩個文件描述符指向同一管道。
- 父進程關閉管道寫端，子進程關掉管道讀端，從而實現子進程向管道里面寫入數據，父進程從管道里面讀取數據，從而實現了進程間通信。
6.實驗步驟與調試
- 使用pipe函數進行進程間通信
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
int main()
{
pid_t pid;
char buf[1024];
int fd[2];
char *p1 = "this is child.\nAnd child's id is:";//定義字符數組p1
if(-1==pipe(fd))
{printf("pipe error.");}
pid = fork();
if(pid<0)
{printf("fork error.");}
else if(0==pid)
{
int id = getpid();//獲得子進程序列號
char *p2;
sprintf(p2,"%d",id);//用sprintf把子進程序列號從int型轉爲char型數組
close(fd[0]);//子進程關閉管道讀端
write(fd[1],p1,strlen(p1));//子進程向管道寫入p1、p2
write(fd[1],p2,strlen(p2));
close(fd[1]);
}
else
{
close(fd[1]);//父進程關閉管道寫端
int len = read(fd[0],buf,sizeof(buf));
write(STDOUT_FILENO,buf,len);
close(fd[0]);
}
}
運行結果：
調試過程：
在使用pipe()進行管道通信時，只能使用write()函數向管道里面寫入數據。
write函數用法爲：write(int fd, const void *buf, size_t nbyte);
但是子進程序列號是int型，所以要用sprintf()函數把int型的id轉爲字符數組。
- 使用消息緩衝隊列進行進程間通信
利用消息緩衝隊列來實現server和client端的通信。
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/msg.h>
#define MSGKEY 75 //設置msgkey
struct msgform{//定義msgform結構體
long mtype;
char mtext[1024];
};
int main()
{
int id;
struct msgform msg;
id = msgget(MSGKEY,0777|IPC_CREAT);//創建消息緩衝隊列
if(-1==fork())
{
printf("fork error!\n");
}
else if(0==fork())
{
msg.mtype = 1;
sprintf(msg.mtext,"%d",getpid());//獲取子進程標識符
msgsnd(id,&msg,sizeof(msg),0);//子進程通信過程
sleep(1);
msgrcv(id,&msg,sizeof(msg),0,0);
printf("receive reply form %s\n",msg.mtext);
}
else
{
msgrcv(id,&msg,sizeof(msg),0,0);//獲取消息
if(1==msg.mtype)//父進程通信
{
printf("%d\n",getpid());
printf("serving for client,%s\n",msg.mtext);
sprintf(msg.mtext,"%d",getppid());
msgsnd(id,&msg,sizeof(msg),0);
sleep(2);
msgctl(id,IPC_RMID,0);//刪除隊列消息
}
}
return 0;
}
運行結果：
