6Linux程序設計入門--消息管理

1。POSIX無名信號量 如果你學習過操作系統,那麼肯定熟悉PV操作了.PV操作是原子
操作.也就是操作是不可以中斷的,在一定的時間內,只能夠有一個進程的代碼在CPU上面
執行.在系統當中,有時候爲了順利的使用和保護共享資源,大家提出了信號的概念. 假設
我們要使用一臺打印機,如果在同一時刻有兩個進程在向打印機輸出,那麼最終的結果會
是什麼呢.爲了處理這種情況,POSIX標準提出了有名信號量和無名信號量的概念,由於Li
nux只實現了無名信號量,我們在這裏就只是介紹無名信號量了. 信號量的使用主要是用
來保護共享資源,使的資源在一個時刻只有一個進程所擁有.爲此我們可以使用一個信號
燈.當信號燈的值爲某個值的時候,就表明此時資源不可以使用.否則就表>;示可以使用.
爲了提供效率,系統提供了下面幾個函數
POSIX的無名信號量的函數有以下幾個:
＃i nclude <semaphore.h>;
int sem_init(sem_t *sem,int pshared,unsigned int value);
int sem_destroy(sem_t *sem);
int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_trywait(sem_t *sem);
int sem_post(sem_t *sem);
int sem_getvalue(sem_t *sem);
sem_init創建一個信號燈,並初始化其值爲value.pshared決定了信號量能否在幾個進程
間共享.由於目前Linux還沒有實現進程間共享信號燈,所以這個值只能夠取0. sem_dest
roy是用來刪除信號燈的.sem_wait調用將阻塞進程,直到信號燈的值大於0.這個函數返回
的時候自動的將信號燈的值的件一.sem_post和sem_wait相反,是將信號燈的內容加一同
時發出信號喚醒等待的進程..sem_trywait和sem_wait相同,不過不阻塞的,當信號燈的值
爲0的時候返回EAGAIN,表示以後重試.sem_getvalue得到信號燈的值.
由於Linux不支持,我們沒有辦法用源程序解釋了.
這幾個函數的使用相當簡單的.比如我們有一個程序要向一個系統打印機打印兩頁.我們
首先創建一個信號燈,並使其初始值爲1,表示我們有一個資源可用.然後一個進程調用se
m_wait由於這個時候信號燈的值爲1,所以這個函數返回,打印機開始打印了,同時信號燈
的值爲0 了. 如果第二個進程要打印,調用sem_wait時候,由於信號燈的值爲0,資源不可
用,於是被阻塞了.當第一個進程打印完成以後,調用sem_post信號燈的值爲1了,這個時候
系統通知第二個進程,於是第二個進程的sem_wait返回.第二個進程開始打印了.
不過我們可以使用線程來解決這個問題的.我們會在後面解釋什麼是線程的.編譯包含上
面這幾個函數的程序要加上 -lrt選賢,以連接librt.so庫
2。System V信號量 爲了解決上面哪個問題,我們也可以使用System V信號量.很幸運的
是Linux實現了System V信號量.這樣我們就可以用實例來解釋了. System V信號量的函
數主要有下面幾個.
＃i nclude <sys/types.h>;
＃i nclude <sys/ipc.h>;
＃i nclude <sys/sem.h>;
key_t ftok(char *pathname,char proj);
int semget(key_t key,int nsems,int semflg);
int semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun arg);
int semop(int semid,struct sembuf *spos,int nspos);
struct sembuf {
short sem_num; /* 使用那一個信號 */
short sem_op; /* 進行什麼操作 */
short sem_flg; /* 操作的標誌 */
};
ftok函數是根據pathname和proj來創建一個關鍵字.semget創建一個信號量.成功時返回
信號的ID,key是一個關鍵字,可以是用ftok創建的也可以是IPC_PRIVATE表明由系統選用
一個關鍵字. nsems表明我們創建的信號個數.semflg是創建的權限標誌,和我們創建一個
文件的標誌相同.
semctl對信號量進行一系列的控制.semid是要操作的信號標誌,semnum是信號的個數,cm
d是操作的命令.經常用的兩個值是:SETVAL(設置信號量的值)和IPC_RMID(刪除信號燈).
arg是一個給cmd的參數.
semop是對信號進行操作的函數.semid是信號標誌,spos是一個操作數組表明要進行什麼
操作,nspos表明數組的個數. 如果sem_op大於0,那麼操作將sem_op加入到信號量的值中
,並喚醒等待信號增加的進程. 如果爲0,當信號量的值是0的時候,函數返回,否則阻塞直
到信號量的值爲0. 如果小於0,函數判斷信號量的值加上這個負值.如果結果爲0喚醒等待
信號量爲0的進程,如果小與0函數阻塞.如果大於0,那麼從信號量裏面減去這個值並返回
..
下面我們一以一個實例來說明這幾個函數的使用方法.這個程序用標準錯誤輸出來代替我
們用的打印機.
＃i nclude <stdio.h>;
＃i nclude <unistd.h>;
＃i nclude <limits.h>;
＃i nclude <errno.h>;
＃i nclude <string.h>;
＃i nclude <stdlib.h>;
＃i nclude <sys/stat.h>;
＃i nclude <sys/wait.h>;
＃i nclude <sys/ipc.h>;
＃i nclude <sys/sem.h>;
#define PERMS S_IRUSR|S_IWUSR
void init_semaphore_struct(struct sembuf *sem,int semnum,
int semop,int semflg)
{
/* 初始話信號燈結構 */
sem->;sem_num=semnum;
sem->;sem_op=semop;
sem->;sem_flg=semflg;
}
int del_semaphore(int semid)
{
/* 信號燈並不隨程序的結束而被刪除,如果我們沒刪除的話(將1改爲0)
可以用ipcs命令查看到信號燈,用ipcrm可以刪除信號燈的
*/
#if 1
return semctl(semid,0,IPC_RMID);
#endif
}
int main(int argc,char **argv)
{
char buffer[MAX_CANON],*c;
int i,n;
int semid,semop_ret,status;
pid_t childpid;
struct sembuf semwait,semsignal;
if((argc!=2)||((n=atoi(argv[1]))<1))
{
fprintf(stderr,"Usage:%s number/n/a",argv[0]);
exit(1);
}
/* 使用IPC_PRIVATE 表示由系統選擇一個關鍵字來創建 */
/* 創建以後信號燈的初始值爲0 */
if((semid=semget(IPC_PRIVATE,1,PERMS))==-1)
{
fprintf(stderr,"[%d]:Acess Semaphore Error:%s/n/a",
getpid(),strerror(errno));
exit(1);
}
/* semwait是要求資源的操作(-1) */
init_semaphore_struct(&semwait,0,-1,0);
/* semsignal是釋放資源的操作(+1) */
init_semaphore_struct(&semsignal,0,1,0);
/* 開始的時候有一個系統資源(一個標準錯誤輸出) */
if(semop(semid,&semsignal,1)==-1)
{
fprintf(stderr,"[%d]:Increment Semaphore Error:%s/n/a",
getpid(),strerror(errno));
if(del_semaphore(semid)==-1)
fprintf(stderr,"[%d]:Destroy Semaphore Error:%s/n/a",
getpid(),strerror(errno));
exit(1);
}
/* 創建一個進程鏈 */
for(i=0;i<n;i++)
if(childpid=fork()) break;
sprintf(buffer,"[i=%d]-->;[Process=%d]-->;[Parent=%d]-->;[Child=%d]/n",
i,getpid(),getppid(),childpid);
c=buffer;
/* 這裏要求資源,進入原子操作 */
while(((semop_ret=semop(semid,&semwait,1))==-1)&&(errno==EINTR));
if(semop_ret==-1)
{
fprintf(stderr,"[%d]:Decrement Semaphore Error:%s/n/a",
getpid(),strerror(errno));
}
else
{
while(*c!='/0')fputc(*c++,stderr);
/* 原子操作完成,趕快釋放資源 */
while(((semop_ret=semop(semid,&semsignal,1))==-1)&&(errno==EINTR));
if(semop_ret==-1)
fprintf(stderr,"[%d]:Increment Semaphore Error:%s/n/a",
getpid(),strerror(errno));
}
/* 不能夠在其他進程反問信號燈的時候,我們刪除了信號燈 */
while((wait(&status)==-1)&&(errno==EINTR));
/* 信號燈只能夠被刪除一次的 */
if(i==1)
if(del_semaphore(semid)==-1)
fprintf(stderr,"[%d]:Destroy Semaphore Error:%s/n/a",
getpid(),strerror(errno));
exit(0);
}
信號燈的主要用途是保護臨界資源(在一個時刻只被一個進程所擁有).
3。SystemV消息隊列 爲了便於進程之間通信,我們可以使用管道通信 SystemV也提供了
一些函數來實現進程的通信.這就是消息隊列.
＃i nclude <sys/types.h>;
＃i nclude <sys/ipc.h>;
＃i nclude <sys/msg.h>;
int msgget(key_t key,int msgflg);
int msgsnd(int msgid,struct msgbuf *msgp,int msgsz,int msgflg);
int msgrcv(int msgid,struct msgbuf *msgp,int msgsz,
long msgtype,int msgflg);
int msgctl(Int msgid,int cmd,struct msqid_ds *buf);

struct msgbuf {
long msgtype; /* 消息類型 */
....... /* 其他數據類型 */
}
msgget函數和semget一樣,返回一個消息隊列的標誌.msgctl和semctl是對消息進行控制
.. msgsnd和msgrcv函數是用來進行消息通訊的.msgid是接受或者發送的消息隊列標誌.
msgp是接受或者發送的內容.msgsz是消息的大小. 結構msgbuf包含的內容是至少有一個
爲msgtype.其他的成分是用戶定義的.對於發送函數msgflg指出緩衝區用完時候的操作.
接受函數指出無消息時候的處理.一般爲0. 接收函數msgtype指出接收消息時候的操作.

如果msgtype=0,接收消息隊列的第一個消息.大於0接收隊列中消息類型等於這個值的第
一個消息.小於0接收消息隊列中小於或者等於msgtype絕對值的所有消息中的最小一個消
息. 我們以一個實例來解釋進程通信.下面這個程序有server和client組成.先運行服務
端後運行客戶端.
服務端 server.c
＃i nclude <stdio.h>;
＃i nclude <string.h>;
＃i nclude <stdlib.h>;
＃i nclude <errno.h>;
＃i nclude <unistd.h>;
＃i nclude <sys/types.h>;
＃i nclude <sys/ipc.h>;
＃i nclude <sys/stat.h>;
＃i nclude <sys/msg.h>;
#define MSG_FILE "server.c"
#define BUFFER 255
#define PERM S_IRUSR|S_IWUSR
struct msgtype {
long mtype;
char buffer[BUFFER+1];
};
int main()
{
struct msgtype msg;
key_t key;
int msgid;
if((key=ftok(MSG_FILE,'a'))==-1)
{
fprintf(stderr,"Creat Key Error:%s/a/n",strerror(errno));
exit(1);
}
if((msgid=msgget(key,PERM|IPC_CREAT|IPC_EXCL))==-1)
{
fprintf(stderr,"Creat Message Error:%s/a/n",strerror(errno));
exit(1);
}
while(1)
{
msgrcv(msgid,&msg,sizeof(struct msgtype),1,0);
fprintf(stderr,"Server Receive:%s/n",msg.buffer);
msg.mtype=2;
msgsnd(msgid,&msg,sizeof(struct msgtype),0);
}
exit(0);
}
----------------------------------------------------------------------------
----
客戶端(client.c)
＃i nclude <stdio.h>;
＃i nclude <string.h>;
＃i nclude <stdlib.h>;
＃i nclude <errno.h>;
＃i nclude <sys/types.h>;
＃i nclude <sys/ipc.h>;
＃i nclude <sys/msg.h>;
＃i nclude <sys/stat.h>;
#define MSG_FILE "server.c"
#define BUFFER 255
#define PERM S_IRUSR|S_IWUSR
struct msgtype {
long mtype;
char buffer[BUFFER+1];
};
int main(int argc,char **argv)
{
struct msgtype msg;
key_t key;
int msgid;
if(argc!=2)
{
fprintf(stderr,"Usage:%s string/n/a",argv[0]);
exit(1);
}
if((key=ftok(MSG_FILE,'a'))==-1)
{
fprintf(stderr,"Creat Key Error:%s/a/n",strerror(errno));
exit(1);
}
if((msgid=msgget(key,PERM))==-1)
{
fprintf(stderr,"Creat Message Error:%s/a/n",strerror(errno));
exit(1);
}
msg.mtype=1;
strncpy(msg.buffer,argv[1],BUFFER);
msgsnd(msgid,&msg,sizeof(struct msgtype),0);
memset(&msg,'/0',sizeof(struct msgtype));
msgrcv(msgid,&msg,sizeof(struct msgtype),2,0);
fprintf(stderr,"Client receive:%s/n",msg.buffer);
exit(0);
}
注意服務端創建的消息隊列最後沒有刪除,我們要使用ipcrm命令來刪除的.
4。SystemV共享內存 還有一個進程通信的方法是使用共享內存.SystemV提供了以下幾個
函數以實現共享內存.
＃i nclude <sys/types.h>;
＃i nclude <sys/ipc.h>;
＃i nclude <sys/shm.h>;
int shmget(key_t key,int size,int shmflg);
void *shmat(int shmid,const void *shmaddr,int shmflg);
int shmdt(const void *shmaddr);
int shmctl(int shmid,int cmd,struct shmid_ds *buf);
shmget和shmctl沒有什麼好解釋的.size是共享內存的大小. shmat是用來連接共享內存
的.shmdt是用來斷開共享內存的.不要被共享內存詞語嚇倒,共享內存其實很容易實現和
使用的.shmaddr,shmflg我們只要用0代替就可以了.在使用一個共享內存之前我們調用s
hmat得到共享內存的開始地址,使用結束以後我們使用shmdt斷開這個內存.
＃i nclude <stdio.h>;
＃i nclude <string.h>;
＃i nclude <errno.h>;
＃i nclude <unistd.h>;
＃i nclude <sys/stat.h>;
＃i nclude <sys/types.h>;
＃i nclude <sys/ipc.h>;
＃i nclude <sys/shm.h>;
#define PERM S_IRUSR|S_IWUSR
int main(int argc,char **argv)
{
int shmid;
char *p_addr,*c_addr;
if(argc!=2)
{
fprintf(stderr,"Usage:%s/n/a",argv[0]);
exit(1);
}
if((shmid=shmget(IPC_PRIVATE,1024,PERM))==-1)
{
fprintf(stderr,"Create Share Memory Error:%s/n/a",strerror(errno));
exit(1);
}
if(fork())
{
p_addr=shmat(shmid,0,0);
memset(p_addr,'/0',1024);
strncpy(p_addr,argv[1],1024);
exit(0);
}
else
{
c_addr=shmat(shmid,0,0);
printf("Client get %s",c_addr);
exit(0);
}
}
這個程序是父進程將參數寫入到共享內存,然後子進程把內容讀出來.最後我們要使用ip
crm釋放資源的.先用ipcs找出ID然後用ipcrm shm ID刪除.
後記:
進程通信(IPC)是網絡程序的基礎,在很多的網絡程序當中會大量的使用進程通信的概念
和知識.其實進程通信是一件非常複雜的事情,我在這裏只是簡單的介紹了一下.如果你想
學習進程通信的詳細知識,最好的辦法是自己不斷的寫程序和看聯機手冊.現在網絡上有
了很多的知識可以去參考.可惜我看到的很多都是英文編寫的.如果你找到了有中文的版
本請儘快告訴我.謝謝!