管道通信中如何实现对管道的互斥使用？父子进程的同步又是如何实现的？

时间: 2023-06-08 10:07:27 浏览: 217

进程管道通信

进程的管道通信 1）使用系统调用pipe()建立一条管道，系统调用fork()分别创建两个子进程，它们分别向管道写一句话，如： Child process1 is sending a message! Child process2 is sending a message! 2) 父进程分别从管道读出来自两个子进程的信息，显示在屏幕上。 3) 两个子进程要并发执行。 4) 实现管道的互斥使用。当一个子进程正在对管道进行写操作时，另一个欲写入管道的子进程必须等待。使用系统调用lockf(fd[1],1,0)实现对管道的加锁操作，用lockf(fd[1],0,0)解除对管道的锁定。 5) 实现父子进程的同步，当父进程试图从一空管道中读取数据时，便进入等待状态，直到子进程将数据写入管道返回后，才将其唤醒。 ### 进程管道通信知识点详解 #### 一、实验背景与目标本实验旨在通过具体的编程实践，加深学生对进程间通信（IPC）机制之一——管道通信的理解，并掌握其具体实现方法。实验主要目的是： 1. **理解进程概念**：区分进程与程序，了解进程的生命周期及其基本属性。 2. **学习进程创建**：熟悉`fork()`系统调用创建新进程的过程。 3. **进程并发执行现象**：分析多进程并行执行时的资源争用问题，以及如何使用互斥机制解决这些问题。 4. **解决进程同步问题**：了解如何实现进程间的同步，特别是在管道通信中的应用。 5. **掌握管道通信技术**：重点学习Linux系统中利用管道实现进程间通信的具体方法。 #### 二、实验内容与要求实验要求实现以下功能： 1. **管道建立与使用**：利用`pipe()`系统调用创建一个管道，再通过`fork()`创建两个子进程，每个子进程向管道写入一段消息。 2. **父子进程通信**：父进程从管道读取子进程写入的消息，并在屏幕上显示这些消息。 3. **并发执行子进程**：确保两个子进程能够并发执行，即在一个子进程写入消息的同时，另一个子进程可以准备写入或等待。 4. **互斥访问管道**：为了防止多个进程同时写入管道导致的数据混乱，需要实现管道的互斥访问。这通常通过`lockf()`系统调用来实现。 5. **进程间的同步**：实现父子进程间的同步机制，确保父进程在尝试从空管道读取数据时会进入等待状态，直到有子进程向管道写入数据。 #### 三、程序实现 ##### 1. 数据结构及变量定义 - `int fd[2]`：定义了一个管道，其中`fd[0]`用于读取，`fd[1]`用于写入。 - `char bufread[75], bufwrite[75]`：定义了读写缓冲区，用于存储管道中传输的信息。 ##### 2. 主函数与关键步骤 ```c int main() { int fd[2], p1, p2, r; char bufread[75], bufwrite[75]; // 创建管道 pipe(fd); // 创建子进程1 while ((p1 = fork()) == -1) { printf("\nChild process one is failed!\n"); } if (p1 == 0) { // 子进程1的逻辑 lockf(fd[1], 1, 0); // 对管道加锁 strcpy(bufwrite, "Child process one is sending message!"); write(fd[1], bufwrite, strlen(bufwrite)); // 向管道写入信息 sleep(5); // 子进程1睡眠 lockf(fd[1], 0, 0); // 管道解锁 exit(0); // 子进程1结束 } else { // 创建子进程2 while ((p2 = fork()) == -1) { printf("\nChild process two is failed!\n"); } if (p2 == 0) { // 子进程2的逻辑 lockf(fd[1], 1, 0); // 对管道加锁 strcpy(bufwrite, "Child process two is sending message!"); write(fd[1], bufwrite, strlen(bufwrite)); // 向管道写入信息 sleep(5); // 子进程2睡眠 lockf(fd[1], 0, 0); // 管道解锁 exit(0); // 子进程2结束 } } // 父进程读取信息 read(fd[0], bufread, 75); printf("Message from child process one: %s\n", bufread); read(fd[0], bufread, 75); printf("Message from child process two: %s\n", bufread); return 0; } ``` ##### 3. 关键系统调用解释 - **`pipe()`**：创建一个管道。返回值为一个整型数组，其中`fd[0]`用于读取，`fd[1]`用于写入。 - **`fork()`**：创建一个新的进程，返回值表示当前进程是父进程还是子进程。 - **`lockf(fd[1], 1, 0)`**：对管道进行加锁，防止其他进程同时写入。 - **`lockf(fd[1], 0, 0)`**：解除对管道的锁定，允许其他进程写入。 - **`write(fd[1], bufwrite, 75)`**：将信息写入管道。 - **`read(fd[0], bufread, 75)`**：从管道读取信息。 #### 四、总结通过以上实验，我们不仅深入了解了进程间通信的基本原理和技术细节，还实际操作了如何利用管道来实现进程间的通信。此外，实验还涉及了进程并发执行、进程间同步等问题的解决方案，这些都是现代操作系统设计中非常重要的概念和技术。通过此类实验的学习与实践，有助于深入理解操作系统的核心机制，提高解决实际问题的能力。

在Unix/Linux系统中，可以利用管道对进程之间进行通信。在管道中，读写进程可能同时访问管道，这可能导致数据混乱和丢失。因此，为了避免这种情况，需要使用互斥锁来确保管道的互斥使用。在Unix/Linux系统中，可以使用pthread_mutex_lock()和pthread_mutex_unlock()函数来实现互斥锁的使用。另外，在父子进程之间进行通信时，需要使用同步机制来确保正确的通信。在Unix/Linux系统中，可以使用信号量来实现这个目的。当父子进程需要进行通信时，父进程可以通过sem_wait()函数等待信号量，子进程可以通过sem_post()函数释放信号量。这样就可以确保父子进程之间的正确通信。

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管道通信中如何实现对管道的互斥使用？父子进程的同步又是如何实现的？

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