2018-2019-1 20165230 实验三 实时系统

2018-2019-1 20165230 实验三 实时系统

实验内容

• 学习使用Linux命令wc(1)

• 基于Linux Socket程序设计实现wc（1）服务器(端口号是你学号的后6位)和客户端
• 客户端传一个文本文件给服务器

• 服务器返加文本文件中的单词数

实验步骤

一、并发程序-1

知识点

• wc命令
• socket编程
• tcp文件传输

实验过程

• 使用man查看wc
  

从帮助文档可知

命令参数	作用
-c	统计字节
-m	统计字符
-l	统计行数
-L	打印最长行的长度
-w	统计字数。一个字被定义为由空白、跳格或换行字符分隔的字符串。

• Mywc代码实现：

#include<stdio.h>  
#include<unistd.h>  
#include<sys/stat.h>  
#include<stdlib.h>  
struct message{  
        int lines;  
        int words;  
        int max_line_length;  
        int size;  
        int chars;  
}info;  
void error_print(char str[]){  
        printf("Error:%s",str);  
}  
void init(char filename[]){  
        struct stat get_message = {};  
        FILE *fp;  
        int ret_stat = stat(filename,&get_message);/*用stat函数读取filenmae文件的信息，并将结果写到get_message结构体中*/  
        if(ret_stat == -1){//stat函数不出错则进行信息输出  
                error_print(filename);  
                return ;  
        }  
        mode_t mode = get_message.st_mode;      //接收文件信息，用于下面判断是不是目录  
        int length = 0;  
        if(S_ISDIR(mode))   //如果是目录，输出错误  
                printf("Error %s is dir\n0\t0\t0\t%s",filename,filename);  
        else{  
                info.size = get_message.st_size;    //文件字节大小 wc -c  
                fp = fopen(filename,"r");   //以只读方式打开指定文件  
                char ch;  
                int flag = 0;  
                while((ch = fgetc(fp))!=EOF){   //一直读到文件尾  
                        info.chars++;       //字符数加1 wc -m  
  
                        if(ch != '\n'){  
  
                                length++;   //记录当前行的长度 wc -L  
                        }  
                        if(ch == '\n'){  
                                info.lines ++;  //行数加1 wc -l  
                                if(length>info.max_line_length)  
                                        info.max_line_length = length;  //更新最大长度  
                                length = 0;  
                        }  
                        if(ch == '\t' || ch == ' ' || ch == '\n'){  
                                flag = 0;       //计算单词数 wc -w  
                                continue;  
                        }  
                        else{  
  
                                if(flag == 0){  
                                        info.words++;   //计算单词数 wc -w  
                                        flag = 1;  
                                }  
                        }  
                }  
                fclose(fp);  
        }  
  
}  
//计算键盘输入内容的相关信息，即参数中没有指定要打开的文件  
void EmptyFile(){  
        char ch;  
        int flag = 0;  
        int length = 0;  
  
        while((ch = getchar())!=EOF){  
                info.chars++;  
                info.size += sizeof(ch);    //字节累加  
                if(ch != '\n'){  
                        length++;  
                }  
                if(ch == '\n'){  
                        info.lines ++;  
                        if(length>info.max_line_length)  
                                info.max_line_length = length;  
                        length = 0;  
                }  
                if(ch == '\t' || ch == ' ' || ch == '\n'){  
                        flag = 0;  
                        continue;  
                }  
                else{  
  
                        if(flag == 0){  
                                info.words++;  
                                flag = 1;  
                        }  
                }  
  
        }  
}  
int main(int argc,char *argv[]){  
  
        if(argc == 2){  
                if(argv[1][0] != '-'){  
                        init(argv[1]);  
                        printf("%d %d %d %s\n",info.lines,info.words,info.size,argv[1]);  
                        return 0;  
                }  
                else{   //未指定打开文件，类似 wc -lmwcL  
                        EmptyFile();  
  
                }  
        }  
        else if(argc == 1){     //未指定打开文件和要输出的参数，（默认输出 -lwc）  
                EmptyFile();  
                printf("%d\t%d\t%d\n",info.lines,info.words,info.size);  
                return 0;  
        }  
        else if(argc == 3){  
                init(argv[2]);  
        }  
        int num;  
        while((num = getopt(argc,argv,"lwmcL"))!=-1){  
                switch(num){  
                        case 'l':  
                                printf("%d\t",info.lines);  
                                break;  
                        case 'w':  
                                printf("%d\t",info.words);  
                                break;  
                        case 'm':  
                                printf("%d\t",info.chars);  
                                break;  
                        case 'c':  
                                printf("%d\t",info.size);  
                                break;  
                        case 'L':  
                                printf("%d\t",info.max_line_length);  
                                break;  
                }  
        }  
        if(argc != 2 && argv[1][0] != '-')  //一定要判断，否则会越界  
                printf("%s\n",argv[2]);  
  
  
        return 0;  
}  

mywc实现截图

• 客户端代码

#include<netinet/in.h>   // sockaddr_in  
#include<sys/types.h>    // socket  
#include<sys/socket.h>   // socket  
#include<stdio.h>        // printf  
#include<stdlib.h>       // exit  
#include<string.h>       // bzero  
  
#define SERVER_PORT 155314  
#define BUFFER_SIZE 1024  
#define FILE_NAME_MAX_SIZE 512  
  
int main()  
{  
    // 声明并初始化一个客户端的socket地址结构  
    struct sockaddr_in client_addr;  
    bzero(&client_addr, sizeof(client_addr));  
    client_addr.sin_family = AF_INET;  
    client_addr.sin_addr.s_addr = htons(INADDR_ANY);  
    client_addr.sin_port = htons(0);  
  
    // 创建socket，若成功，返回socket描述符  
    int client_socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  
    if(client_socket_fd < 0)  
    {  
        perror("Create Socket Failed:");  
        exit(1);  
    }  
  
    // 绑定客户端的socket和客户端的socket地址结构 非必需  
    if(-1 == (bind(client_socket_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, sizeof(client_addr))))  
    {  
        perror("Client Bind Failed:");  
        exit(1);  
    }  
  
    // 声明一个服务器端的socket地址结构，并用服务器那边的IP地址及端口对其进行初始化，用于后面的连接  
    struct sockaddr_in server_addr;  
    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));  
    server_addr.sin_family = AF_INET;  
    if(inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &server_addr.sin_addr) == 0)  
    {  
        perror("Server IP Address Error:");  
        exit(1);  
    }  
    server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);  
    socklen_t server_addr_length = sizeof(server_addr);  
  
    // 向服务器发起连接，连接成功后client_socket_fd代表了客户端和服务器的一个socket连接  
    if(connect(client_socket_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, server_addr_length) < 0)  
    {  
        perror("Can Not Connect To Server IP:");  
        exit(0);  
    }  
  
    // 输入文件名，并放到缓冲区buffer中等待发送  
    char file_name[FILE_NAME_MAX_SIZE+1];  
    bzero(file_name, FILE_NAME_MAX_SIZE+1);  

    printf("Please Input File Name On Client:\t");
    scanf("%s", file_name);  
  
    char buffer[BUFFER_SIZE];  
    bzero(buffer, BUFFER_SIZE);  
    strncpy(buffer, file_name, strlen(file_name)>BUFFER_SIZE?BUFFER_SIZE:strlen(file_name));  
      
    // 向服务器发送buffer中的数据  
    if(send(client_socket_fd, buffer, BUFFER_SIZE, 0) < 0)  
    {  
        perror("Send File Name Failed:");  
        exit(1);  
    }  
  
    
    // 打开文件并读取文件数据  
        FILE *fp = fopen(file_name, "r");  
        if(NULL == fp)  
        {  
            printf("File:%s Not Found\n", file_name);  
        }  
        else  
        {  
            bzero(buffer, BUFFER_SIZE);  
            int length = 0;  
            // 每读取一段数据，便将其发送给服务器，循环直到文件读完为止  
            while((length = fread(buffer, sizeof(char), BUFFER_SIZE, fp)) > 0)  
            {  
                if(send(client_socket_fd, buffer, length, 0) < 0)  
                {  
                    printf("Send File:%s Failed./n", file_name);  
                    break;  
                }  
                bzero(buffer, BUFFER_SIZE);  
            }  
  
            // 关闭文件  
        
            fclose(fp);  
            printf("File:%s Transfer Successful!\n", file_name);  
        char s[50]; 
        scanf("%s",s);
        send(client_socket_fd,"OK",BUFFER_SIZE,0);
        recv(client_socket_fd,buffer,BUFFER_SIZE,0);    
        printf("%d words.\n",atoi(buffer));
    }  

    close(client_socket_fd);  
    return 0;  
} 

• 服务器端代码

#include<netinet/in.h>  // sockaddr_in  
#include<sys/types.h>   // socket  
#include<sys/socket.h>  // socket  
#include<stdio.h>       // printf  
#include<stdlib.h>      // exit  
#include<string.h>      // bzero  
  
#define SERVER_PORT 155314  
#define LENGTH_OF_LISTEN_QUEUE 20  
#define BUFFER_SIZE 1024
#define FILE_NAME_MAX_SIZE 512  
 
int main(void)  
{  
    // 声明并初始化一个服务器端的socket地址结构  
    struct sockaddr_in server_addr;  
    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));  
    server_addr.sin_family = AF_INET;  
    server_addr.sin_addr.s_addr = htons(INADDR_ANY);  
    server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);  
  
    // 创建socket，若成功，返回socket描述符  
    int server_socket_fd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);  
    if(server_socket_fd < 0)  
    {  
        perror("Create Socket Failed:");  
        exit(1);  
    }  
    int opt = 1;  
    setsockopt(server_socket_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));  
  
    // 绑定socket和socket地址结构  
    if(-1 == (bind(server_socket_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr))))  
    {  
        perror("Server Bind Failed:");  
        exit(1);  
    }  
      
    // socket监听  
    if(-1 == (listen(server_socket_fd, LENGTH_OF_LISTEN_QUEUE)))  
    {  
        perror("Server Listen Failed:");  
        exit(1);  
    }  
  
    while(1)  
    {  
        // 定义客户端的socket地址结构  
        struct sockaddr_in client_addr;  
        socklen_t client_addr_length = sizeof(client_addr);  
  
        // 接受连接请求，返回一个新的socket(描述符)，这个新socket用于同连接的客户端通信  
        // accept函数会把连接到的客户端信息写到client_addr中  
        int new_server_socket_fd = accept(server_socket_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_addr_length);  
        if(new_server_socket_fd < 0)  
        {  
            perror("Server Accept Failed:");  
            break;  
        }  
  
       // recv函数接收数据到缓冲区buffer中  
        char buffer[BUFFER_SIZE];  
        bzero(buffer, BUFFER_SIZE);  
        if(recv(new_server_socket_fd, buffer, BUFFER_SIZE, 0) < 0)  
        {  
            perror("Server Recieve Data Failed:");  
            break;  
        }  
  
        // 然后从buffer(缓冲区)拷贝到file_name中  
        char file_name[FILE_NAME_MAX_SIZE+1];  
        bzero(file_name, FILE_NAME_MAX_SIZE+1);  
        strncpy(file_name, buffer, strlen(buffer)>FILE_NAME_MAX_SIZE?FILE_NAME_MAX_SIZE:strlen(buffer));  
        printf("%s\n", file_name);  
  
    // 打开文件，准备写入  
        FILE *fp = fopen(file_name, "w");  
        if(NULL == fp)  
        {  
            printf("File:\t%s Can Not Open To Write\n", file_name);  
            exit(1);  
        }  
    
    // 从客户端接收数据到buffer中  
        // 每接收一段数据，便将其写入文件中，循环直到文件接收完并写完为止  
        bzero(buffer, BUFFER_SIZE);  
        int length = 0;  
        while((length = recv(new_server_socket_fd, buffer, BUFFER_SIZE, 0)) > 0)  
        {  
        if(strcmp(buffer,"OK")==0) break;
            if(fwrite(buffer, sizeof(char), length, fp) < length)  
            {  
                printf("File:\t%s Write Failed\n", file_name);  
                break;  
            }  
            bzero(buffer, BUFFER_SIZE);  
        }  
    
    
    // 接收成功后，关闭文件，关闭socket  
        printf("Receive File:\t%s From Client IP Successful!\n", file_name);  
        fclose(fp);


    // 统计文件单词个数，并发送给客户端
    int words=0;
    char s[100];
    FILE *fp2;
    if((fp2=fopen(file_name,"r"))==NULL){
        printf("ERROR!\n");
        exit(0);
    }
    while(fscanf(fp2,"%s",s)!=EOF)
        words++;
    fclose(fp2);
    //printf("%d words.\n",words);


    sprintf(buffer,"%d",words);

    send(new_server_socket_fd,buffer,BUFFER_SIZE,0);

    //send(new_server_socket_fd,&words,sizeof(words),0);
    close(new_server_socket_fd);  
    
    
    
        // 关闭与客户端的连接  
        
    }  
    // 关闭监听用的socket  
    close(server_socket_fd);  
    return 0;  
} 

实验截图

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二、并发程序-2

实验过程

1. 使用多线程实现wc服务器并使用同步互斥机制保证计数正确

2. 对比单线程版本的性能，并分析原因

• 客户端代码不变
• 互斥锁：互斥锁是用加锁的方式来控制对公共资源的操作(一旦开始进行就不会被打断的操作)
  在同一时刻只有一个线程能够对互斥锁进行操作；只有上锁的进程才可以对公共资源进行访问，除该进程之外，其他进程只能等到上锁进程解锁才能对公共资源进行操作。
• 修改服务器代码，使之成为多线程服务器。

 #include<netinet/in.h>   // sockaddr_in
    #include<sys/types.h>   // socket
    #include<sys/socket.h>   // socket
    #include<stdio.h>   // printf
    #include<stdlib.h>  // exit
    #include<string.h>  // bzero
    #define SERVER_PORT 20165230
    #define LENGTH_OF_LISTEN_QUEUE 20
    #define BUFFER_SIZE 1024
    #define FILE_NAME_MAX_SIZE 512
    #define MAX 10000000
    
    
    
    
    int main()
    {
    // 声明并初始化一个服务器端的socket地址结构
    ……
    // 绑定socket和socket地址结构
    if((bind(server_socket_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)))==-1)
        {
        perror("Server Bind Failed:");
        exit(1);
        }
        // socket监听
    if(-1 == (listen(server_socket_fd, LENGTH_OF_LISTEN_QUEUE)))
    {
    perror("Server Listen Failed:");
    exit(1);
    }
    while(1)//调用pthread_create不断创建新进程接受客户端连接请求
    {
    // 定义客户端的socket地址结构
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t client_addr_length = sizeof(client_addr);
    // 接受连接请求，返回一个新的socket(描述符)，这个新socket用于同连接的客户端通信
    // accept函数会把连接到的客户端信息写到client_addr中
    int new_server_socket_fd = accept(server_socket_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_addr_length);
    if(new_server_socket_fd < 0)
    {
    perror("Server Accept Failed:");
    break;
    }
    
    int client_p=pthread_create(&pid, NULL, process_client,(void *) &new_server_socket);
    pthread_t pid;
        if(pthread_create(&pid, NULL, process_client,(void *) &new_server_socket) < 0){
              exit(1);
        }
    
    // recv函数接收数据到缓冲区buffer中
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    bzero(buffer, BUFFER_SIZE);
    if(recv(new_server_socket_fd, buffer, BUFFER_SIZE, 0) < 0)
    {
    perror("Server Recieve Data Failed:");
    break;
    }
    // 然后从buffer(缓冲区)拷贝到file_name中
    /*打开文件并计数代码部分省略*/
    …………
    // 关闭与客户端的连接 
    close(new_server_socket_fd); 
    }
    // 关闭监听用的socket 
    close(server_socket_fd); 
    return 0; }

编译时需要使用-lpthread，否则报错：“对‘pthread_create’未定义的引用”

gcc -pthread  server2.c -o server2

运行截图

分析原因

• 单线程容易实现，但是一次只允许一个客户端连接。
• 多线程更复杂，但是一次允许多个客户端，工作效率更高。
• 单线程保证单用户的安全性，但多线程保证任务的高效性。

---

实验中的问题及解决过程

1. 使用socket编程的时候，发现用书上的知识无法直接传输文件，结合老师讲过的web编程，客户端使用send和recv实现文件传输，但是运行的时候报错，出现段错误（核心已转储）

• 问题解决：检查发现存在地址越界的错误，将代码改过之后，代码运行成功。

1. 统计出的结果与预想结果不一样，总会存在误差，

• 问题解决：查找资料显示，是因为将测试文件编辑的时候，从Windows到Linux粘贴的过程中，会产生一些看不见的非法字符，使用od -tc xxx就能看出来，但实际上，这些字符在统计的时候是不会被统计到的，因此，结果总有偏差。

  新学到的知识点

  锁

• 在主线程中初始化锁为解锁状态

pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

• 在编译时初始化锁为解锁状态

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//锁初始化 

• 访问对象时的加锁操作与解锁操作

pthread_mutex_lock(&mutex)//加锁

pthread_mutex_unlock(&mutex)//释放锁

信号量

• 锁有一个很明显的缺点，那就是它只有两种状态：锁定与不锁定。
  信号量本质上是一个非负数的整数计数器，它也被用来控制对公共资源的访问。当公共资源增加的时候，调用信号量增加函数sem_post()对其进行增加，当公共资源减少的时候，调用函数sem_wait()来减少信号量。其实是可以把锁当作一个0-1信号量的。
  它们是在/usr/include/semaphore.h中进行定义的，信号量的数据结构为sem_t, 本质上，它是一个long型整数
  在使用semaphore之前，我们需要先引入头文件#include <semaphore.h>
  初始化信号量：int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
  成功返回0，失败返回-1
• sem：指向信号量结构的一个指针
• pshared： 不是0的时候，该信号量在进程间共享，否则只能为当前进程的所有线程们共享
• value：信号量的初始值
• 信号量减1操作，当sem=0的时候该函数会堵塞 int sem_wait(sem_t *sem);
  成功返回0，失败返回-1