广东工业大学操作系统实验：进程间通信的实现与分析


参考资源链接：[广东工业大学 操作系统四个实验（报告+代码）](https://wenku.csdn.net/doc/6412b6b0be7fbd1778d47a07?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. 进程间通信基础概念

在操作系统中，进程是执行中的程序，它们通过操作系统提供的机制进行通信和同步，以协调它们的工作。进程间通信（IPC，Inter-Process Communication）是实现这种协同工作的核心技术。它允许进程间交换信息，协调它们的行为，无论是在同一台计算机上还是通过网络连接的远程计算机。进程间通信的基本形式包括数据的交换、信号的传递和共享内存的访问等。理解进程间通信的基础概念是至关重要的，因为它是构建更复杂系统和理解操作系统内部工作原理的关键。

在后续章节中，我们将探讨进程通信的不同机制，并深入分析其优缺点及适用场景。了解这些概念对于从事系统编程和设计高效应用程序的IT专业人员来说是必不可少的。

# 2. 理论研究：进程通信机制

进程间通信（IPC）是操作系统中不同进程之间进行数据交换和协调工作的一系列机制。本章将探讨各种不同的进程通信机制，包括它们的原理和应用。深入理解这些理论将为之后的编程实践打下坚实的基础。

### 2.1 进程间通信的分类

#### 2.1.1 同步与异步通信

同步通信要求通信的双方处于一种协调的状态，发送方在发送消息后，必须等待接收方对消息做出响应后才能继续执行。这种方式保证了数据处理的顺序性，但可能会导致进程阻塞，从而影响效率。相反，异步通信允许发送方在不等待接收方响应的情况下继续执行，提高了系统的并发性。异步通信虽然提升了效率，但增加了编程复杂性，需要处理消息的顺序和状态同步问题。

#### 2.1.2 共享内存模型

共享内存是进程间通信的一种高效方式，它允许多个进程访问同一块内存区域进行数据交换。这种方式直接利用了内存地址空间，数据不需要经过内核的复制，因此速度很快。然而，共享内存也带来了同步问题，因为多个进程可能会同时读写同一内存区域，从而产生竞态条件。解决这一问题需要使用信号量或互斥锁等同步机制来协调对共享内存的访问。

// 示例代码：使用 POSIX 共享内存
int shm_id = shmget(IPC_PRIVATE, 1024, IPC_CREAT | 0666);
void *shm_ptr = shmat(shm_id, NULL, 0);

// 生产者
shm_ptr[0] = data;

// 消费者
data = shm_ptr[0];

// 分离共享内存段
shmdt(shm_ptr);
// 销毁共享内存
shmctl(shm_id, IPC_RMID, NULL);

#### 2.1.3 消息传递模型

消息传递模型通过消息队列的方式进行进程间通信。每个进程可以发送消息到队列中，其他进程可以从队列中读取消息。这种方式的优点是系统调用简单，易于管理，且通信双方不必共享内存。消息传递可以是阻塞的，也可以是非阻塞的，前者在队列满或空时使进程等待，后者则让进程继续执行。消息传递提供了良好的封装性，但相比于共享内存，它通常会有更高的开销。

### 2.2 信号量的工作原理

#### 2.2.1 信号量的基本概念

信号量是一个非负整数变量，它能通过两种原子操作，即P操作（等待）和V操作（信号），进行访问。P操作用于申请资源，如果信号量的值大于0，则将其减1并继续执行；如果信号量的值等于0，则进程将被阻塞，直到信号量的值大于0。V操作用于释放资源，它将信号量的值加1，如果有进程因为该信号量被阻塞，则可以唤醒这些进程。

#### 2.2.2 信号量在进程同步中的应用

在进程同步中，信号量用来保证多个进程按照某种顺序访问共享资源。一个经典的场景是生产者-消费者问题，在这个问题中，生产者和消费者共享一个有限大小的缓冲区。信号量可以用来表示缓冲区的空位数和满位数，生产者在生产前必须检查是否有空位，消费者在消费前必须检查是否有数据可取。

sem_t empty, full;

void producer() {
    while (1) {
        // 生产数据
        P(empty);    // 等待空位
        // 将数据放入缓冲区
        V(full);     // 增加满位数
    }
}

void consumer() {
    while (1) {
        P(full);     // 等待数据
        // 取出数据
        V(empty);    // 增加空位数
        // 消费数据
    }
}

#### 2.2.3 信号量在进程互斥中的应用

互斥是保证并发进程互斥访问共享资源的一种机制。当一个进程访问一个资源时，通过P操作将互斥信号量设为0，如果此时有其他进程尝试访问同一资源，它们将因为互斥信号量为0而无法继续执行。只有当第一个进程执行V操作释放资源后，其他进程才可以继续访问资源。

### 2.3 管道通信机制

#### 2.3.1 无名管道的特性与使用

无名管道是一种最简单的进程通信机制，它允许一个父进程和一个子进程间进行单向数据传输。无名管道是半双工的，即数据只能在一个方向上流动。管道的创建和使用通常涉及pipe()系统调用，读写操作则通过read()和write()系统调用来完成。由于管道是临时的，一旦创建它的进程终止，管道就会消失。

int pipefd[2];
pipe(pipefd);

pid_t cpid = fork();

if (cpid == -1) {
    perror("fork");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

if (cpid == 0) {    // 子进程
    close(pipefd[1]); // 关闭写端
    char buf;
    while (read(pipefd[0], &buf, 1) > 0) {
        write(STDOUT_FILENO, &buf, 1);
    }
    write(STDOUT_FILENO, "\n", 1);
    close(pipefd[0]);
    _exit(EXIT_SUCCESS);
}

// 父进程
close(pipefd[0]); // 关闭读端
char *msg = "Hello from parent";
write(pipefd[1], msg, strlen(msg));

#### 2.3.2 有名管道的特性与使用

有名管道是一种特殊的文件类型，在文件系统中具有一个路径名。不同于无名管道的半双工和临时特性，有名管道是全双工的，并且生命周期与文件系统一致。有名管道允许没有亲缘关系的进程进行通信，这使得它们在复杂的系统中非常有用。创建有名管道使用mkfifo()系统调用，之后的读写操作与无名管道相同。

#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

mkfifo("myfifo", 0666);

int fd = open("myfifo", O_RDONLY);
char buffer[10];
read(fd, buffer, sizeof(buffer));
printf("Received %s", buffer);
close(fd);

通过本章节的介绍，我们可以看到进程通信机制的多样性及其在操作系统中的重要性。不同的场景和需求需要不同的进程通信方式，理解这些机制的原理和应用对于设计高效可靠的软件系统至关重要。在下一章中，我们将深入编程实践，通过具体的代码示例展示如何实现进程通信。

# 3. 实践操作：进程通信的编程实现

在本章，我们将深入探索如何在编程实践中实现进程间通信(IPC)。我们首先关注共享内存的进程通信编程，然后探讨消息队列和信号量的应用。这些技能对于构建高性能和可扩展的多进程应用程序至关重要。

## 3.1 基于共享内存的进程通信编程

共享内存是最快的一种IPC机制，因为它允许多个进程直接读写同一块内存空间，而不需要数据在内核空间和用户空间之间复制。接下来的两个小节将指导您完成创建和映射共享内存，以及实现进程间的同步与互斥。

### 3.1.1 共享内存的创建和映射

首先，我们需要创建共享内存段，并将其映射到每个进程的地址空间。在Unix-like系统中，这通常通过`shmget`和`shmat`系统调用来实现。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/shm.h>

int main() {
    int shm_id = shmget(IPC_PRIVATE, 1024, S_IRUSR | S_IWUSR);
    if (shm_id < 0) {
        perror("shmget");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    char *shm_ptr;
    shm_ptr = (char *) shmat(shm_id, NULL, 0);
    if ((int)shm_ptr == -1) {
        perror("shmat");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 连接成功，现在可以使用shm_ptr读写共享内存了。

    // 附加共享内存到多个进程...

    // 完成后，断开映射
    if (shmdt(shm_ptr) != 0) {