实验二：进程通信（一） ——管道及共享内存
一、实验目的
1、熟悉并掌握管道机制，并实现进程间通信
2、熟悉并掌握共享内存机制，并实现进程间通信
二、实验内容和步骤
1、任务一
（1）阅读以上父子进程利用管道进行通信的例子（例1），写出程序的运行结果并分析。
（2）编写程序：父进程利用管道将一字符串交给子进程处理。子进程读字符串，将里面的字符反向后再交给父进程，父进程最后读取并打印反向的字符串。
2、任务二
（1）阅读例2的程序，运行一次该程序，然后用ipcs命令查看系统中共享存储区的情况，再次执行该程序，再用ipcs命令查看系统中共享内存的情况，对两次的结果进行比较，并分析原因。最后用ipcrm命令删除自己建立的共享存储区。
（2）每个同学登陆两个窗口，先在一个窗口中运行例3程序1（或者只登陆一个窗口，先在该窗口中以后台方式运行程序1），然后在另一个窗口中运行例3程序2，观察程序的运行结果并分析。运行结束后可以用ctrl+c结束程序1的运行。
（3）编写程序：使用系统调用shmget()，shmat()，shmdt()，shmctl()，编制程序。要求在父进程中生成一个30字节长的私有共享内存段。接下来，设置一个指向共享内存段的字符指针，将一串大写字母写入到该指针指向的存贮区。调用fork()生成子进程，让子进程显示共享内存段中的内容。接着，将大写字母改成小写，子进程修改共享内存中的内容。之后，子进程将脱接共享内存段并退出。父进程在睡眠5秒后，在此显示共享内存段中的内容（此时已经是小写字母）。-
三、代码及运行结果分析
1、任务一
例1：
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
int x,fd[2];
char buf[30],s[30];
pipe(fd);
while ((x=fork())==-1);
if (x==0)
{
close(fd[0]);
printf("Child Process!\n");
strcpy(buf,"This is an example\n");
write(fd[1],buf,30);
exit(0);
}
else{
close(fd[1]);
printf("Parent Process!\n");
read(fd[0],s,30);
printf("%s\n",s);
}
return 0;
}
（1）阅读以上父子进程利用管道进行通信的例子（例1），写出程序的运行结果并分析。
运行结果：
分析：
利用系统调用pipe()可创建一个简单的管道。fd[0]存放供读进程使用的文件描述符（管道出口），fd[1]存放供写程使用的文件描述符（管道入口）。首先运行父进程，然后关闭父进程，子进程开启，并向父进程发送消息，然后关闭子进程，父进程接收消息并打印输出。
（2）编写程序：父进程利用管道将一字符串交给子进程处理。子进程读字符串，将里面的字符反向后再交给父进程，父进程最后读取并打印反向的字符串。
编写程序如下：
#include<stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main(){
int x,count,left,right,temp,fd[2],fe[2];
char c,buf[30],s[30];
pipe(fd);
pipe(fe);
printf("please input a line of char:\n");
scanf("%s",buf);
while((x=fork())==-1);
if(x==0){
close(fd[0]);
close(fe[1]);
printf("Child Process!\n");
write(fd[1],buf,30);
read(fe[0],buf,30);
printf("%s\n",buf);
exit(0);
}else{
close(fd[1]);
close(fe[0]);
count=0;
do{
read(fd[0],&c,1);
s[count++]=c;
}while(c!='\0');
printf("Parent Process!\n");
printf("%s\n",s);count-=2;
for(left=0,right=count;left<=count/2;left++,right--){
temp=s[left];
s[left]=s[right];
s[right]=temp;
}
write(fe[1],s,30);
wait(0);
}
}
运行结果：
分析：
调用pipe(fd);创建一个管道后，接着调用fork()函数产生两个进程，首先开始执行子进程，关闭管道出口，通过管道入口向管道中写入内容。父进程中，管道入口关闭，通过管道出口端从管道中读取之前写入内容，最后输出出来。
2、任务二
（1）阅读例2的程序，运行一次该程序，然后用ipcs命令查看系统中共享存储区的情况，再次执行该程序，再用ipcs命令查看系统中共享内存的情况，对两次的结果进行比较，并分析原因。最后用ipcrm命令删除自己建立的共享存储区。
例2：
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int main()
{
key_t key=15;
int shmid_1,shmid_2;
if ((shmid_1=shmget(key,1000,0644|IPC_CREAT))==-1){
perror("shmget shmid_1");exit(1);
}
printf("First shared memory identifier is %d\n",shmid_1);
if ((shmid_2=shmget(IPC_PRIVATE,20,0644))==-1){
perror("shmget shmid_2");exit(2);
}
printf("Second shared memory identifier is %d\n",shmid_2);
exit(0);
}
运行结果：
第一次运行该程序，然后用ipcs命令查看系统中共享存储区的情况，结果如下：
第二次运行该程序，然后用ipcs命令查看系统中共享存储区的情况，结果如下：
分析：
shmget()是建立一个新的共享区或返回一个已存在的共享存储区描述字；int shmgetkey_t key, int size, int shmflag)，其中，key是用户指定的共享区号，size是共享存储区的长度，而shmflag用来标识共享内存段的创建条件机以及访问权限。若成功，则返回共享内存段的标识符，内核中用于唯一的标识一个对象。对存在于内核存储空间中的每个共享内存段，内核均为其维护着一个数据结构shmid_ds；若失败，则返回-1，设置errno。
在两次运行结束后的 第二个共享标识符是不一样的。所以在用ipcs查看时，共享内存段中的关键字，共享内存标识符，访问权限，字节等都是不一样的。
（2）每个同学登陆两个窗口，先在一个窗口中运行例3程序1（或者只登陆一个窗口，先在该窗口中以后台方式运行程序1），然后在另一个窗口中运行例3程序2，观察程序的运行结果并分析。运行结束后可以用ctrl+c结束程序1的运行。
例3（程序1）
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#define SHMKEY 75
#define K 1024
int shmid;
void cleanup()
{
shmctl(shmid,IPC_RMID,0);
exit(0);
}
int main()
{
int i, * pint;
char* addr;
for (i = 0; i < 20; i++) signal(i, cleanup);
shmid = shmget(SHMKEY, 16 * K, 0777 | IPC_CREAT); /*建立16K共享区SHMKEY */
addr = shmat(shmid, 0, 0);/*挂接，并得到共享区首地址 */
printf("addr 0x%s\n", addr);
pint = (int*)addr;
for (i = 0; i < 256; i++) *pint++ = i;
pause();/*等待接收进程读 */
}
例3（程序2）
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#define SHMKEY 75
#define K 1024
int shmid;
int main (){
int i,*pint;
char *addr;
shmid=shmget(SHMKEY,8*K,0777);/*取共享区SHMKEY的id */
addr=(char *)shmat(shmid,0,0);/*连接共享区*/
pint=(int *)addr;
for (i=0;i<256;i++)
printf("%d\n",*pint++);/*打印共享区中的内容*/
return 0;
}
实验结果：
分析：
首先系统通过调用shmctl对预定义的shmid指向的内存段进行删除操作，然后系统调用shmget创建一个161024字节的共享内存段，成功返回共享内存段的标识符给shmid，之后系统再次调用shmat连接内存段，返回该共享内存段连接到调用进程地址空间上的地址addr。
程序1运行时，该程序开始执行，系统调用shmget创建一个81024字节的共享内存段，再通过调用shmat挂接内存段，由系统选择挂接地址，最终输出转换后的挂接地址。最后输出前255的内容。共享存储区机制只为通信进程提供了访问共享存储区的操作条件，而对通信的同步控制则要依靠信号量机制等才能完成。
（3）编写程序：使用系统调用shmget()，shmat()，shmdt()，shmctl()，编制程序。要求在父进程中生成一个30字节长的私有共享内存段。接下来，设置一个指向共享内存段的字符指针，将一串大写字母写入到该指针指向的存贮区。调用fork()生成子进程，让子进程显示共享内存段中的内容。接着，将大写字母改成小写，子进程修改共享内存中的内容。之后，子进程将脱接共享内存段并退出。父进程在睡眠5秒后，在此显示共享内存段中的内容（此时已经是小写字母）
编写程序如下：
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#define SHMKEY 200
#define K 1024
int shmid_1,shmid_2;
int main ()
{
int x,y,i,*pint;
char *addr_1,*addr_2;
char words[5]={
'A','B','C','D','E'};
shmid_1=shmget(SHMKEY,30*K,0777|IPC_CREAT); /*建立16K共享区SHMKEY */
addr_1=shmat(shmid_1,0,0);/*挂接，并得到共享区首地址*/
pint=(int *)addr_1;
printf ("addr_1 0x%x\n",addr_1);
for (i=0;i<5;i++) {
*pint=words[i];
pint++;
}
while((x=fork())==-1);
if(x==0){
shmid_2=shmget(SHMKEY,30*K,0777|IPC_CREAT); /*建立16K共享区SHMKEY */
addr_2=shmat(shmid_2,0,0);/*挂接，并得到共享区首地址*/
pint=(int *)addr_2;
for(i=0;i<5;i++){
printf("%c ",*pint);
*pint=*pint+32;
pint++;
}
printf("\n");
y=shmdt(addr_2);
exit(0);
}else{
sleep(5);
pint=(int *)addr_1;
for(i=0;i<5;i++){
printf("%c ",*pint);
pint++;
}
printf("\n");
}
return 0;
}
实验结果：
