day_14_信號量集、網絡、socket模型

一、使用信號量集實現進程間的通信

1.1 基本概念

（1）什麼是信號量？？？

信號量本質上就是一個計數器，用於控制同時訪問同一種共享資源的進程 / 線程個數；

如：: 圖書館 Unix環境高級編程 5本信號量 = 5

（2）信號量的工作方式

a. 首先初始化信號量爲最大值；
b. 當有進程申請到共享資源時，信號量的數值減1；
c. 當信號量的數值爲0時，申請共享資源的進程進入阻塞狀態；
d. 當有進程釋放共享資源時，信號量的數值加1；
e. 只要信號量的數值>0，則阻塞的進程可以繼續搶佔共享資源，搶佔不到的進程繼續阻塞；

（3）什麼是信號量集？？？

信號量集本質上就是由若干個信號量組成的集合，用於控制多種共享資源分別被同時訪問的進程 / 線程個數；

擴展：: 信號量集：semaphore set

1.2 通信模型

（1）獲取key值，使用ftok()；
（2）創建 / 獲取信號量集，使用semget()；
（3）初始化 / 操作信號量集，使用semctl() / semop()；
（4）如果不再使用，則刪除信號量集，使用semctl()；

1.3 相關函數的解析

（1）semget()

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

功能：
主要用於創建 / 獲取信號量集；

參數：
第一個參數：key值，ftok()的返回值；
第二個參數：信號量集的大小，也就是信號量的個數；
0 - - - - - - - - - - - - – 獲取已經存在的操作標誌
第三個參數：具體的操作標誌
IPC_CREAT - - - - - 若存在則打開，若不存在則創建
IPC_EXCL - - - - - - 與IPC_CREAT搭配使用，若存在則創建失敗
0 - - - - - - - - - - - - - -獲取已經存在的信號量集

返回值：
success —- 信號量集的ID，error —- -1；

注意：
當創建新的信號量集時，需要在第三個參數中通過按位或的方式指定權限信息，如：0664；

（2）semctl()

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

功能：
主要用於控制參數指定的信號量集；

參數：
第一個參數：信號量集的ID，semget()的返回值；
第二個參數：信號量集的下標，從0開始；
第三個參數：具體的操作命令；
IPC_RMID - - - - - - 刪除信號量集，忽略第二個參數，不需要第四個參數
SETVAL - - - - - - - -使用第四個實參給下標爲semnum的信號量初始化
SETALL - - - - - - - -
第四個參數：可變長參數，是否需要取決於cmd；

（3）semop()

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);

功能：
主要用於操作指定的信號量集；

參數：
第一個參數：信號量集的ID，semget()的返回值；
第二個參數：結構體指針，可以指向結構體變量，也可以指向結構體數組；

struct sembuf
{
    unsigned short sem_num;  /* 信號量集的下標 */
    short          sem_op;   /* 信號量的操作：正數表示增加、負數表示減少、0表示不變 */
    short          sem_flg;  /* 操作標誌，默認給0 */
}

第三個參數：結構體變量的個數；
當第二個參數指向結構體變量時，該參數的數值爲1
當第二個參數指向結構體數組時，該參數爲數組元素的個數

1.4 常用的基本命令

$ ipcs -s - - - - - - 表示查看系統中已經存在的信號量集
$ ipcrm -s - - - - - 信號量集的ID表示刪除指定的信號量集
$ ipcs -a - - - - - - 表示查看系統中已經存在的所有IPC結構

二、網絡的基本常識

如：
目前主流的網絡通訊軟件：QQ 微信飛信阿里旺旺 …

2.1 七層網絡協議模型和常用的網絡協議

（1）七層網絡協議模型

爲了數據完整、安全地在網絡中傳遞，ISO將數據的傳遞從邏輯上劃分爲以下七層：
應用層 - - - - - - - - - 主要用於將數據提交給應用程序，如：QQ等；
表示層 - - - - - - - - - 主要用於按照統一的格式進行數據的封裝等；
會話層 - - - - - - - - - 主要用於控制對話的建立、關閉等操作；
傳輸層 - - - - - - - - - 主要用於進行數據的檢查和重新排序等；
網絡層 - - - - - - - - - 主要用於選擇具體網絡協議再次封裝和發送等；
數據鏈路層 - - - - – 主要用於將數據轉換爲高低電平信號等；
物理層 - - - - - - - - - 主要指交換機等網絡設備；

擴展：
IOS，即國際標準化組織（International Organization for Standardization）

（2）常用的網絡協議

a. TCP協議 （Transmission Control Protocol ）
傳輸控制協議，是一種面向連接的協議，類似打電話；

b. UDP協議（User Datagram Protocol ）
用戶數據報協議，是一種非面向連接的協議，類似寫信；

c. IP協議（Internet protocol ）
互聯網協議，是上述兩種協議的底層協議；

2.2 IP地址和子網掩碼（重點）

（1）IP地址

IP地址 - 是互聯網中的唯一地址標識，其本質上就是一個由32位二進制組成的整數（IPv4），也有128位二進制組成的整數（IPv6）；
日常生活中採用點分十進制表示法來描述IP地址，也就是將每一個字節的二進制轉換爲一個十進制的整數，不同的整數之間採用小數點分隔；

爲了便於IP地址的管理，將IP地址分爲網絡地址和主機地址兩部分，根據IP地址中網絡地址和主機地址的位數不同分爲五類：

查看系統的IP地址的方式
windows系統：在dos窗口中使用命令ipconfig可以查看；
Linux系統：在終端中使用$ ifconfig或者$ /sbin/ifconfig

（2）子網掩碼

主要用於劃分IP地址中的網絡地址和主機地址，以及判斷兩個IP地址是否在同一個子網中，具體的劃分方法爲：IP地址 & 子網掩碼 = 網絡地址 + 主機地址；

如：
IP地址：172.30.3.105 => 網絡地址：172.30.3.0
子網掩碼：255.255.255.0 主機地址：0.0.0.105

練習：
判斷以下兩個IP地址是否在同一個局域網中？？？
166.111.161.1與166.111.160.45
子網掩碼都是：255.255.254.0

2.3 端口號和字節序（重點）

（1）端口號

網絡編程中需要提供：IP地址 + 端口號；
IP地址 - - - - - - - 定位到具體的某一臺主機/設備；
端口號 - - - - - - - 定位到主機上的具體某個進程；
端口號本質上就是unsigned short類型，範圍是0~65535，其中0~1024之間的端口號被系統佔用，因此編程從1025開始使用；

（2）字節序

小端系統：主要指將低位數據存放在低位內存地址的系統；
大端系統：主要指將低位數據存放在高位內存地址的系統；

如：
對於數據0x12345678來說，不同的系統的存放形式如下：
小端系統按照地址從小到大：0x78 0x56 0x34 0x12
大端系統按照地址從小到大：0x12 0x34 0x56 0x78

一般性原則：
一般來說，對於所有發送到網絡中的多字節整數來說，先轉換爲網絡字節序再發送，而對於所有從網絡中接收過來的多字節整數來說，需要先轉換爲主機字節序再解析，而網絡字節序本質上就是大端系統的字節序；

三、基於socket的一對一通信模型

3.1 基本概念

socket本意爲“插座”，這裏指“邏輯通信載體”；

3.2 通信模型

主機A：
（1）創建socket，使用socket()；
（2）準備通信地址，使用結構體類型；
（3）綁定socket和通信地址，使用bind()；
（4）進行通信，使用read() / write()；
（5）關閉socket，使用close()；

主機B：
（1）創建socket，使用socket()；
（2）準備通信地址，使用主機A的地址；
（3）連接socket和通信地址，使用connect()；
（4）進行通信，使用read() / write()；
（5）關閉socket，使用close()；

練習：
查詢通信模型中的相關函數；

明日預報：
（1）網絡編程

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