操作系统实战（二）（linux+C语言）

实验内容

通过Linux 系统中管道通信机制，加深对于进程通信概念的理解，观察和体验并发进程间的通信和协作的效果 ，练习利用无名管道进行进程通信的编程和调试技术。

管道pipe是进程间通信最基本的一种机制,两个进程可以通过管道一个在管道一端向管道发送其输出，给另一进程可以在管道的另一端从管道得到其输入。管道以半双工方式工作,即它的数据流是单方向的。因此使用一个管道一般的规则是读管道数据的进程关闭管道写入端,而写管道进程关闭其读出端。

示例程序

效果为：两个进程交替分别对X进行+1操作

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
    int pid; //进程号
    int pipe1[2]; //存放第一个无名管道标号
    int pipe2[2]; //存放第二个无名管道标号
    int x; // 存放要传递的整数
    //使用pipe()系统调用建立两个无名管道。建立不成功程序退出，执行终止
    if(pipe(pipe1) < 0)
    {
        perror("pipe not create");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    if(pipe(pipe2) < 0)
    {
        perror("pipe not create");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    //使用fork()系统调用建立子进程,建立不成功程序退出，执行终止
    if((pid=fork()) <0)
    {
        perror("process not create");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    //子进程号等于0 表示子进程在执行
    else if(pid == 0)
    {
        //子进程负责从管道1的0端读,管道2的1端写
        //所以关掉管道1的1端和管道2的0端。
        close(pipe1[1]);
        close(pipe2[0]);
        //每次循环从管道1 的0 端读一个整数放入变量X 中,
        //并对X 加1后写入管道2的1端，直到X大于10
        do
        {
            read(pipe1[0],&x,sizeof(int));
            printf("child %d read: %d\n",getpid(),x++);
            write(pipe2[1],&x,sizeof(int));
        }while( x<=9 );
        //读写完成后,关闭管道
        close(pipe1[0]);
        close(pipe2[1]);
        //子进程执行结束
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }
    //子进程号大于0 表示父进程在执行
    else
    {
        //父进程负责从管道2的0端读,管道1的1端写，
        //所以关掉管道1 的0 端和管道2 的1端。
        close(pipe1[0]);
        close(pipe2[1]);
        x=1;
        //每次循环向管道1 的1 端写入变量X 的值,并从
        //管道2的0 端读一整数写入X 再对X加1，直到X 大于10
        do
        {
            write(pipe1[1],&x,sizeof(int));
            read(pipe2[0],&x,sizeof(int));
            printf("parent %d read: %d\n",getpid(),x++);
        }while(x<=9);
        //读写完成后,关闭管道
        close(pipe1[1]);
        close(pipe2[0]);
    }
    //父进程执行结束
    return EXIT_SUCCESS;
}

执行结果：

几个关键点 

一、pipe系统调用的使用

  1. 创建管道两个端口 ：int pipe[2]
  2. 调用pipe系统调用在两个端口间建立管道
  3. 后续可利用read、write通过管道端口，利用管道进行进程间通信
  4. 为了防止出现死锁以及消息冲突，需要进行close处理
  5. 读写操作传输的值都是实际地址

pipe管道端口不与进程绑定，而是可以更改的；pipe管道端口的作用是固定的，0端口读，1端口写

二、perror函数的使用

perror()是一个C语言标准库函数，用于打印错误信息。它接受一个字符串参数作为错误信息的前缀，并将系统的错误消息附加到该前缀后面。

一般用于打印系统调用的错误，能够自动输出系统调用错误的编码。见下面示例代码：

#include <stdio.h>
#include <errno.h>

int main() {
    FILE *file = fopen("nonexistent_file.txt", "r");
    if (file == NULL) {
        perror("Error opening file: ");
        return 1;
    }

    // 其他文件操作...

    fclose(file);
    return 0;
}

其输出是：

Error opening file: No such file or directory

三、read、write函数的使用 

(1)读取时:要先关闭管道的写入端口,才能从输出端口进行读出

read函数的三个参数分别为:

close(port[1]);
read(port[0],数据,要传输的数据长度);

 (2)输出时:

write函数的三个参数分别为:

close(port[0]);
write(port[1],数据,要传输的数据长度);

本次实验

实验内容

实验代码

#include <stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include <wait.h>

//三个递归函数的定义，每个函数用一个进程来运行，运行结果利用pipe通信
//f(x)
int fx(int x){
    if(x <= 0){
        printf("the number you input must be positive!");
        return 0;
    }
    else if(x == 1){
        return 1;

    }
    else if(x > 1){
        return fx(x-1) * x;
    }
}
//f(y)
int fy(int y){
    if(y <= 0){
        printf("the number you input must >2!");
        return 0;
    }
    else if(y == 1 || y == 2){
        return 1;
    }
    else if(y > 2){
        return fy(y-1) + fy(y-2);
    }
}
//f(x,y)
int fxy(int fx, int fy){
    return fx + fy;
}

int main(int argc,char* argv[]){
    int pid1;  //子进程1
    int pid2;  //子进程2
    int pid;  //父进程
    int pipe1[2];  //第一个管道：父进程写，子进程读
    int pipe2[2];  //第二个管道：父进程读，子进程写
    int result1;  //保存f(x)和f(y)的计算结果
    int result2;
    int result;
    int status;  //记录子进程状态
    int x;
    int y;

    //从键盘输入x和y
    printf("please input number x: ");
    scanf("%d",&x);
    printf("\n");
    printf("please input number y: ");
    scanf("%d",&y);
    printf("\n");

    //开始创建管道
    if(pipe(pipe1)<0){
        perror("pipe1 not create");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    if(pipe(pipe2)<0){
        perror("pipe2 not create");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    //创建子进程开始执行操作
    pid1=fork(); 
    if(pid1<0){  //第一个子进程，注意以下！！！！我在这里踩了坑
        perror("process1 not create");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    //子进程1在执行
    if(pid1==0){
        //子进程负责在管道1的1端写，父进程在管道1的0端读
        //所以关掉管道1的0端
        close(pipe1[0]);
        result1=fx(x);
        printf("子进程1完成了运算,f(x)=%d\n",result1);
        //将运行结果发送出去
        write(pipe1[1],&result1,sizeof(int));
        //写完成后,关闭管道
        close(pipe1[1]);
        //子进程执行结束
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }

    //父进程运行
    else{
        waitpid(pid1, &status, 0);  //等待子进程运行结束再执行父进程（主动阻塞父进程，也可以让其因为read被动阻塞）
        printf("我是父进程%d,已经等待子进程%d完成,现开始运行\n",getpid(),pid1);
        close(pipe1[1]);  //在访问共享资源前都要避免互斥
        //从管道1的0端口获得数值
        read(pipe1[0],&result1,sizeof(int));
        close(pipe1[0]);

        //创建另一个进程2执行f(y)程序
        printf("父进程%d已获取结果1,先创建新子进程运行f(y)\n ",getpid());
        pid2=fork();
        //使用fork()系统调用建立子进程,建立不成功程序退出，执行终止
        if(pid2 <0){
            perror("子进程2没有创建成功");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        //第二个子进程，pipe2[1]用来写
        if(pid2 == 0){
            //关掉pipe2[0]端
            close(pipe2[0]);
            //计算f(y)
            result2 = fy(y);
            printf("子进程2完成了运算,f(y)=%d\n",result2);
            //发送消息
            write(pipe2[1],&result2,sizeof(int));
            close(pipe2[1]);
        }
        //父进程
        else{
            waitpid(pid2, &status, 0);
            close(pipe2[1]);
            //接受第二个子进程从管道里发来的信息
            read(pipe2[0],&result2,sizeof(int));
            result = fxy(result1,result2);
            printf("f(x) = %d\n",result1);
            printf("f(y) = %d\n",result2);
            printf("f(x,y) = %d\n",result);
            //读完成后关闭管道
            close(pipe2[1]);
            //父进程执行结束
            return EXIT_SUCCESS;
        }

    }
}

运行结果 

踩的坑 

1、读只能从端口0进行，写从端口1进行

2、编程思路：对于一个进程它必须只要要完成一个操作单位体，计算一个递归函数就是一个操作单位体

3、

赋值运算优先级小于比较运算：所以if(pid1=fork()>0)此时执行的是if(pid1=(fork()>0))，也就是说pid1并未得到fork（）返回的子进程pid而是得到比较运算结果1。

解决方案：1、可以把pid=fork，与pid>0分成两步去实现；2、可以修改if(pid1=fork()>0)为if(（pid1=fork()）>0)

makefile文件编写 

# DEPEND   代替  依赖文件

# CC       代替  gcc

# CFLAGS   代替  编译命令

# PARA     代替  参数

# OBJS     代替 目标文件



DEPEND=expr_2.c

OBJS=expr_2

CC=gcc

CFLAGS=-o





expr_1:$(DEPEND)

	$(CC) $(DEPEND) $(CFLAGS) $(OBJS)

	

run:$(OBJS)

	./$(OBJS) 



clean:

	rm *.o $(OBJS) -rf

实验感悟 

一、进程协作的特点：

  • 共享资源：进程协作和通信允许多个进程共享资源，本示例中父子进程共享变量x
  • 数据传输：进程可以通过通信机制相互传输数据，以实现信息交换和共享。本实验代码中进程之间传输不同函数运行的结果，从而实现协作
  • 进程间控制：进程协作可以通过管道、消息队列、共享内存等实现进程间的控制和协调。本实验中采用管道控制

二、进程通信机制：

目前我们已经学习的有四种类型，如下：

  • 管道：管道是一种单向通信机制，用于在具有亲缘关系的进程之间传递数据。它可以通过创建一个管道文件描述符来实现进程间的通信

  • 消息队列：消息队列是一种存放消息的容器，进程可以通过发送和接收消息来实现通信。消息队列提供了一种异步通信的方式

  • 共享内存：共享内存允许多个进程共享同一块内存区域，进程可以通过读写共享内存来交换数据

  • 信号量（Semaphore）：信号量是一种用于进程间同步和互斥访问共享资源的机制。进程可以使用信号量来控制对共享资源的访问

其中管道主要用于父子两个进程之间的简单通信，是单向的。实现起来也简单快捷，但是无法处理多个进程之间的复杂协作

 三、进程管道通信的具体流程：

  1. 创建管道：通过调用系统的管道函数，创建一个管道，它会返回两个文件描述符，一个用于读取数据，一个用于写入数据

  2. 创建子进程：使用系统调用（如fork()）创建一个新的子进程

  3. 父子进程通信：父进程可以通过写入管道的文件描述符将数据发送给子进程，子进程可以通过读取管道的文件描述符接收数据

  4. 关闭管道：当通信结束后，父进程和子进程都需要关闭管道的文件描述符，释放相关的资源

总结


本文到这里就结束啦~~

本篇文章重点在于利用linux系统的完成操作系统的实验，巩固课堂知识

本篇文章的撰写+实验代码调试运行+知识点细致化学习，共花了本人3h左右的时间

个人觉得已经非常详细啦，如果仍有不够希望大家多多包涵~~如果觉得对你有帮助，辛苦友友点个赞哦~

知识来源：山东大学《操作系统原理实用实验教程》张鸿烈老师编著

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