第4章 进程同步与通信2

消息缓冲队列通信机制中的数据结构

消息缓冲区的数据结构如下： struct message { sender; 发送者进程标识符 size; 消息长度 text; 消息正文 next; 指向下一个消息缓冲区的指针 }
在PCB中还应增加
struct PCB { ┇ mq;消息队列队首指针 mutex;消息队列互斥信号量 sm;消息队列资源信号量 ┇ }
进程写管道

进程向管道写数据时，可能有以下两种情况：


管道中有足够的空间存放要写的数据，此时每写 一数据块后核心便自动增加地址项的大小。写操 作完成后，核心修改索引节点中的写指针，并唤 醒所有因该管道空而睡眠等待的读进程。 管道中无足够的空间存放要写入的数据，此时核 心对该索引节点作标记后让写进程睡眠，等待数 据从管道中排出。上述情况的一个例外是，当进 程写的数据量大于管道的容量时，核心将尽可能 多的数据写到管道中，然后使进程睡眠，直到获 得更多的空间。
消息


消息是一个格式化的可变长的信息单元。 消息机制允许进程向其他进程发送消息。 当一个进程收到多个消息时，可将这些 消息排成一个队列。 在UNIX中，消息机制向用户提供了四个 系统调用，分别用于建立、发送、接收 和管理消息。
消息机制的数据结构

UNIX的消息机制中使用了两种数据结构:


消息首部：消息首部中记录消息的类型、大小、 指向消息数据区的指针、消息队列的链接指针等。 消息队列头标：每个消息队列的消息头标中，包 含了指向消息队列中第一个消息的指针和指向最 后一个消息的指针，队列中消息的数目，队列中 消息数据的总字节数，队列所允许的消息数据的 最大字节总数，还可以含有最近一次执行发送操 作的进程标识号和时间等。
消息的接收

系统调用msgrcv( ) 从指定消息队列中接收指 定类型的消息，其语法格式如下：

int msgrcv (msgid, msgp, msgsz, msgtyp, msgflg)； int msgid,msgsz,msgflg； struct msgbuf * msgp； long msgtyp；
信号的发送



信号的发送是指由发送进程把信号发送到指 定进程信号域的某一位上。 如果目标进程正在一个可被中断的优先级上 睡眠，核心便将它唤醒，发送过程就此结束。 一个进程可能在其信号域中有多个位被置位， 代表有多种类型的信号到达，但对于一类信 号，进程却只能记住其中的一个。
发送信号


系统调用kill向一个进程或一组进程发送一个 信号。该系统调用的语法格式如下： int kill(pid，sig)； int pid，sig； 其中，sig是要发送的信号，pid参数是进程 标识号。 pid参数除了可以取进程标识号之 外，还可以取下列一些特殊值：
互斥：诸进程互斥读写管道 同步：管道空、满情况处理 存在：确定对方是否存在

共享文件通信示意图1

初始时，其长度为4，系统将管道看成一个循环 队列。按先进先出的方式读写。
A out B C D in

写入字符E后，管道长度为5
A B C D E
out
in
共享文件通信示意图2

读一个字符后，管道长度为4


func＝1时，进程对信号sig不予理睬。 func＝0时，即缺省处理，对大多数软中断信号的 缺省处理是终止进程。 func为其他整数值时，它的值是指向信号处理程 序的指针。
信号的处理

检查软中断信号的时机：

进入或退出低优先级睡眠状态 即将从核心态返回用户态
忽略 缺省处理，即终止进程 执行用户设置的软中断处理程序
B out C D E in

若管道容量为n且in=n时，再写入一 个字符，则in移到管道的另一端。
D E … X
in
out
习题



P79 2 6 7 14
UNIX的进程同步与通信P256

UNIX的早期版本中，为进程的同步与通信提供了：

软中断信号 管道机制

在UNIX SYSTEM Ⅴ中，推出了新的进程通信机构 IPC：
4.6 进程通信


进程通信是指进程之间的信息交换。 进程互斥与同步交换的信息量较少且效率 较低，因此称这两种进程通信方式为低级 进程通信方式，相应地也将P、V原语称为 两条低级进程通信原语。 高级进程通信方式是指进程之间以较高的 效率传送大量数据。
进程通信的类型

高级进程通信方式可分为三大类：
两个进程进行通信的过程
进程A send（B，a）; ┇ a sender：A size：6 text：Hello！ PCB（B） ┇ mq mutex sm
进程B
receive（b） ┇
b
sender：A
size：6
第一个消息缓冲区
sender：A size：6 text:Hello！ next：0
消息传递系统


在消息传递系统中，进程间的数据交换以消 息为单位，程序员直接利用系统提供的一组 通信命令（原语）来实现通信。 消息传递系统因其实现方式不同可分为：


直接通信方式：发送进程将消息发送到接收进程， 并将其挂在接收进程的消息队列上；接收进程从 消息队列上取消息。 间接通信方式：发送进程将消息发送到信箱，接 收进程从信箱中取消息。

信箱通信原语包括：

信箱的创建和撤消： 消息的发送和接收：

Send(mailbox,message); Receive(mailbox,message);
3.共享文件


使用共享文件通信时，基本上采用文件 系统的原有机制实现。包括创建、打开、 关闭、读写等。 管道机制应提供以下三方面的协调能力：
text:Hello！
2.信箱通信



信箱通信方式中，进程之间通信需要通过共享 数据结构实体--信箱来进行。 信箱是一种数据结构，其中存放信件。 信箱逻辑上分成信箱头和信箱体两部分。

信箱头中存放有关信箱的描述。 信箱体由若干格子组成，每格存放一个信件，格 子的数目和大小在创建信箱时确定。
信箱通信原语
设置信号的处理方式



系统调用signal用于设置信号的处理方式。其 语法格式如下： void (* func)( ) signal(sig，func) 其中，func为收到软中断信号sig后进程希望 调用函数的地址。 19类信号如表所示。
func的取值情况

func的取值可以分成三种情况：

进程读管道


当进程从管道读数据时，同样会有两种情况：

管道中有足够的数据供进程读。此时，进程便从 读指针所指位置开始读数据，每读出一个数据块 后，便增加地址项的大小。读操作结束后，核心 修改索引节点中的读指针，并唤醒所有睡眠的写 进程。 进程要读的数据比管道中的数据多。此时，读进 程将返回管道中当前所有的数据。如果管道为空， 进程一般将进入睡眠，直到一个写进程将数据写 入管道，再将读进程唤醒。
共享文件（管道）通信

共享文件（管道）通过连接读进程和写进程 的共享文件来实现读写进程之间通信。
1.消息缓冲通信


消息缓冲通信是直接通信方式的一种实现。系 统通过两条通信原语Send及Receive进行通信。 为了实现消息通信，发送进程应先在自己的工 作区中设置一个发送区，把欲发送的消息填入 其中，然后再用发送原语将其发送出去。接收 进程调用接收原语从自己的消息缓冲队列中摘 下第一个消息，并将其内容复制到自己的消息 接收区内。
pipe文件的建立

pipe系统调用建立一个无名管道。其语法格式如下：

int pipe(fdes)； int fdes[2]； 分配磁盘和内存索引节点。 为读进程和写进程分配文件表项。 分配用户文件描述符。在读进程和写进程的用户文件描述 符表中，分别分配一个表项，并将文件描述符fdes[0]和 fdes[1]分别返回给读进程和写进程。

核心创建一个管道时须完成下述工作：

Pipe涉及的数据结构
用户文件 描述符表 文件表
…
内存索引 节点表
…
外存
…
…
读进程 fp
…
…
写进程 fp
文件指针 文件指针
…
索引节点
PIPE文件
…
…
…
pipe文件的大小限制

pipe文件只使用索引节点中的直接地址项。 核心将索引节点中的直接地址项作为一个 循环队列来管理，为它设置一个读指针和 一个写指针，按先进先出顺序进行读和写。
其中，key是用户指定的消息队列的名字；msgflg是 用户设置的标志和访问方式。如IPC_CREAT表示系 统中若无以key命名的消息队列，则建立消息队列； 若该队列已存在，则返回该消息队列的描述符。
消息的发送

系统调用msgsnd（ ）向指定的消息队列发送一个消 息，并将发送消息链接到该消息队列的尾部。系统 调用的语法格式为：

共享存储器系统 消息传递系统 管道通信系统或共享文件系统
共享存储器系统

相互通信的进程共享某些数据结构或共享 存储区。


基于共享数据结构的通信方式：诸进程通过公 用某些数据结构交换信息。如生产者-消费者问 题。 基于共享存储区的通信方式：在存储器中划出 一块共享存储区，诸进程可通过对共享存储区 进行读或写来实现通信。包括建立共享存储区、 附接及断接。

消息机制 共享存储区机制 信号量机制
软中断信号



软中断信号（简称信号）是一种实现进程间 简单通信的设施，用于通知对方发生了异常 事件。 UNIX SYSTEM Ⅴ中，共有19个软中断信号。 软中断是对硬件中断的一种模拟，接收进程 在收到软中断信号后，将按照事先的规定去 执行一个软中断处理程序。 软中断处理程序必须等到接收进程执行时才 能生效。
发送原语描述
void send（receiver，a）receiver为接收者标识号，a为发送区首址 { 向系统申请一个消息缓冲区i； 将发送区a中的消息复制到i中； 获得接收进程的内部标识j; P（mutex）； 把消息插入j的消息队列上； V（mutex）； V（sm）； }
接收原语描述
void receive（b）b为接收区首址 { 获得接收进程内部标识j; P（sm）பைடு நூலகம் P（mutex）； 将消息队列中的第一个消息移出； V（mutex）； 将消息复制到接收区b； }

信号的处理方式：

管道


管道是指能连接某些读进程和写进程的、专 门用于进程通信的共享文件。 管道允许读/写进程按先进先出的方式传送 数据，即写进程从管道的一端向管道写入数 据，读进程从管道的另一端读出数据。
管道的类型

管道的类型有：

无名管道 有名管道

有名管道和无名管道的读写方式是相同的。
无名管道


无名管道是用系统调用pipe（）建立的无名 文件，用该系统调用所返回的文件描述符 来标识该文件。 只有调用pipe的进程及其子孙进程才能利用 该管道文件进行通信。
有名管道



有名管道是利用mknod系统调用建立的，是 可以在文件系统中长期存在的具有路径名的 文件， 其他进程可以知道有名管道的存在并能利用 路径名来访问该文件。 对有名管道的访问方式象访问其他文件一样， 都需先用open系统调用去打开它。
pid参数特殊值



pid为0：表示把信号发送给与发送进程同组的所有进 程，也包括发送进程自己。 pid为 -1且发送进程的有效用户标识符不是超级用户： 表示把信号发送给其实际用户标识符与发送进程的 有效用户标识符相同的所有进程，也包括发送进程 本身在内。 pid为-1且发送进程的有效用户标识符为超级用户： 表示把信号发送给除了一些特殊系统进程之外的所 有进程。 pid是一个非-1的负数：表示把信号发送给组号为pid 绝对值的进程组中的所有进程。
消息和消息队列示意图
消息队列头标
消息首部 数据区
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消息队列的建立和描述符的获取

在UNIX系统中，系统调用msgget用来建立消息队列 或者获取消息队列的描述符。该系统调用的语法格 式如下：

int msgget(key,msgflg)； key_t key； int msgflg；


int msgsnd(msgid,msgp,msgsz,msgflg)； int msgid，msgsz，msgflg； struct msgbuf *msgp；

其中，msgid是由msgget返回的消息队列描述符； msgp是指向用户消息缓冲区的指针。msgsz是消息 的长度，msgflg规定了当无内存空间存储消息时， 进程是等待还是立即返回。