共享内存跟信号量(进程间通信)

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man 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) {3．编译gcc reader_writer1.c -o reader_writer14．运行./reader_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●《边干边学》（第1版）第6章，“共享内存”⏹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，shmctlint shmget(key_t key, int size, int shmflg);典型的创建共享内存的用法●shmid = shmget(key, size, IPC_CREAT | IPC_EXCL | mode);●shmid = shmget(IPC_PRIVATE, size, mode);void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);典型用法：●shmaddr = shmat(shmid, NULL, 0);int shmdt(const void *shmaddr);int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);典型用法：●取状态shmctl(shmid, IPC_STAT, &buf);●删除shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);实例附录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_READ），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_writer1.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 229376wait for the writer’s 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+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 <stdio.h>#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/sem.h>#include <sys/shm.h>#include <stdlib.h>#include <errno.h>#include <string.h>#include <signal.h>/* The union for semctl may or may not be defined for us.This code,defined in linux's semctl() manpage,is the proper way to attain it if necessary */#if defined (__GNU_LIBRARY__)&& !defined (_SEM_SEMUN_UNDEFINED)/* union semun is defined by including <sys/sem.h> */#else/* according to X/OPEN we have to define it ourselves */union semun{int 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_WRITE 1int Semid = 0;void reader(void);void writer(int shmid);void delete(void);void sigdelete(int signum);void locksem(int semid,int semnum);void unlocksem(int semid,int semnum);void waitzero(int semid,int semnum);void write(int shmid,int semid,char *buffer);int mysemget(key_t key,int nsems,int semflg);int mysemctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun arg);int mysemop(int semid,struct sembuf *sops,unsigned nsops);int myshmget(key_t key,int size,int shmflg);void *myshmat(int shmid,const void *shmaddr,int shmflg);int myshmctl(int shmid,int cmd,struct shmid_ds *buf);int main(int argc,char *argv[]){/* no command line parameter, a reader */if(argc < 2){reader();}else{writer(atoi(argv[1]));}return 0;}void reader(void){union semun sunion;int semid,shmid;void *shmdata;char *buffer;/* first, create a semaphore */semid = mysemget(IPC_PRIVATE,2,SHM_R|SHM_W);Semid = semid;/* at exit, delete the semaphore */atexit(&delete);signal(SIGINT,&sigdelete);/* */sunion.val = 1;mysemctl(semid,SN_READ,SETVAL,sunion);sunion.val = 0;mysemctl(semid,SN_WRITE,SETVAL,sunion);/* create a shared memory */shmid = myshmget(IPC_PRIVATE,SHMDATASIZE,IPC_CREAT|SHM_R|SHM_W);/* map the shared memory into the process' virtual memory */shmdata = shmat(shmid,0,0);/* mark the shared memory as "destroyed", and leave it to bedestroyed automatically */shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);/* */*(int *)shmdata = semid;buffer = shmdata + sizeof(int);printf("\n reader begin to run，and the id of share memory is %d ** \n",shmid);/***********************************************************reader's main loop************************************************************/while(1){printf(" \n wait for the writer's output information ...");fflush(stdout);locksem(semid,SN_WRITE);printf(" finish \n");printf(" received information: %s \n",buffer);unlocksem(semid,SN_READ);}}void writer(int shmid){int semid;void *shmdata;char *buffer;/* map the shared memory into process' virtual memory */shmdata = myshmat(shmid,0,0);semid = *(int *)shmdata;buffer = shmdata + sizeof(int);printf(" \n writer begin to run，the id of share memory is %d, thesemaphore is %d \n",shmid,semid);/***********************************************************writer's main loop************************************************************/while(1){char input[3];printf("\n menu \n 1.send a message \n");printf(" 2.quit \n");printf("input your choice（1-2）:");fgets(input,sizeof(input),stdin);switch(input[0]){case '1':write(shmid,semid,buffer);break;。