实验内容
通过Linux 系统中管道通信机制，加深对于进程通信概念的理解，观察和体验并发进程间的通信和协作的效果 ，练习利用无名管道进行进程通信的编程和调试技术。
管道pipe是进程间通信最基本的一种机制,两个进程可以通过管道一个在管道一端向管道发送其输出，给另一进程可以在管道的另一端从管道得到其输入。管道以半双工方式工作,即它的数据流是单方向的。因此使用一个管道一般的规则是读管道数据的进程关闭管道写入端,而写管道进程关闭其读出端。
示例程序
效果为：两个进程交替分别对X进行+1操作
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
int pid; //进程号
int pipe1[2]; //存放第一个无名管道标号
int pipe2[2]; //存放第二个无名管道标号
int x; // 存放要传递的整数
//使用pipe()系统调用建立两个无名管道。建立不成功程序退出，执行终止
if(pipe(pipe1) < 0)
{
perror("pipe not create");
exit(EXIT_FAILURE);
}
if(pipe(pipe2) < 0)
{
perror("pipe not create");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//使用fork()系统调用建立子进程,建立不成功程序退出，执行终止
if((pid=fork()) <0)
{
perror("process not create");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//子进程号等于0 表示子进程在执行
else if(pid == 0)
{
//子进程负责从管道1的0端读,管道2的1端写
//所以关掉管道1的1端和管道2的0端。
close(pipe1[1]);
close(pipe2[0]);
//每次循环从管道1 的0 端读一个整数放入变量X 中,
//并对X 加1后写入管道2的1端，直到X大于10
do
{
read(pipe1[0],&x,sizeof(int));
printf("child %d read: %d\n",getpid(),x++);
write(pipe2[1],&x,sizeof(int));
}while( x<=9 );
//读写完成后,关闭管道
close(pipe1[0]);
close(pipe2[1]);
//子进程执行结束
exit(EXIT_SUCCESS);
}
//子进程号大于0 表示父进程在执行
else
{
//父进程负责从管道2的0端读,管道1的1端写，
//所以关掉管道1 的0 端和管道2 的1端。
close(pipe1[0]);
close(pipe2[1]);
x=1;
//每次循环向管道1 的1 端写入变量X 的值,并从
//管道2的0 端读一整数写入X 再对X加1，直到X 大于10
do
{
write(pipe1[1],&x,sizeof(int));
read(pipe2[0],&x,sizeof(int));
printf("parent %d read: %d\n",getpid(),x++);
}while(x<=9);
//读写完成后,关闭管道
close(pipe1[1]);
close(pipe2[0]);
}
//父进程执行结束
return EXIT_SUCCESS;
}
执行结果：
几个关键点
一、pipe系统调用的使用
- 创建管道两个端口 ：int pipe[2]
- 调用pipe系统调用在两个端口间建立管道
- 后续可利用read、write通过管道端口，利用管道进行进程间通信
- 为了防止出现死锁以及消息冲突，需要进行close处理
- 读写操作传输的值都是实际地址
pipe管道端口不与进程绑定，而是可以更改的；pipe管道端口的作用是固定的，0端口读，1端口写
二、perror函数的使用
perror()是一个C语言标准库函数，用于打印错误信息。它接受一个字符串参数作为错误信息的前缀，并将系统的错误消息附加到该前缀后面。
一般用于打印系统调用的错误，能够自动输出系统调用错误的编码。见下面示例代码：
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
int main() {
FILE *file = fopen("nonexistent_file.txt", "r");
if (file == NULL) {
perror("Error opening file: ");
return 1;
}
// 其他文件操作...
fclose(file);
return 0;
}
其输出是：
Error opening file: No such file or directory
三、read、write函数的使用
(1)读取时:要先关闭管道的写入端口,才能从输出端口进行读出
read函数的三个参数分别为:
close(port[1]);
read(port[0],数据,要传输的数据长度);(2)输出时:
write函数的三个参数分别为:
close(port[0]);
write(port[1],数据,要传输的数据长度);本次实验
实验内容
实验代码
#include <stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include <wait.h>
//三个递归函数的定义，每个函数用一个进程来运行，运行结果利用pipe通信
//f(x)
int fx(int x){
if(x <= 0){
printf("the number you input must be positive!");
return 0;
}
else if(x == 1){
return 1;
}
else if(x > 1){
return fx(x-1) * x;
}
}
//f(y)
int fy(int y){
if(y <= 0){
printf("the number you input must >2!");
return 0;
}
else if(y == 1 || y == 2){
return 1;
}
else if(y > 2){
return fy(y-1) + fy(y-2);
}
}
//f(x,y)
int fxy(int fx, int fy){
return fx + fy;
}
int main(int argc,char* argv[]){
int pid1; //子进程1
int pid2; //子进程2
int pid; //父进程
int pipe1[2]; //第一个管道：父进程写，子进程读
int pipe2[2]; //第二个管道：父进程读，子进程写
int result1; //保存f(x)和f(y)的计算结果
int result2;
int result;
int status; //记录子进程状态
int x;
int y;
//从键盘输入x和y
printf("please input number x: ");
scanf("%d",&x);
printf("\n");
printf("please input number y: ");
scanf("%d",&y);
printf("\n");
//开始创建管道
if(pipe(pipe1)<0){
perror("pipe1 not create");
exit(EXIT_FAILURE);
}
if(pipe(pipe2)<0){
perror("pipe2 not create");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//创建子进程开始执行操作
pid1=fork();
if(pid1<0){ //第一个子进程，注意以下！！！！我在这里踩了坑
perror("process1 not create");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//子进程1在执行
if(pid1==0){
//子进程负责在管道1的1端写，父进程在管道1的0端读
//所以关掉管道1的0端
close(pipe1[0]);
result1=fx(x);
printf("子进程1完成了运算,f(x)=%d\n",result1);
//将运行结果发送出去
write(pipe1[1],&result1,sizeof(int));
//写完成后,关闭管道
close(pipe1[1]);
//子进程执行结束
exit(EXIT_SUCCESS);
}
//父进程运行
else{
waitpid(pid1, &status, 0); //等待子进程运行结束再执行父进程（主动阻塞父进程，也可以让其因为read被动阻塞）
printf("我是父进程%d,已经等待子进程%d完成,现开始运行\n",getpid(),pid1);
close(pipe1[1]); //在访问共享资源前都要避免互斥
//从管道1的0端口获得数值
read(pipe1[0],&result1,sizeof(int));
close(pipe1[0]);
//创建另一个进程2执行f(y)程序
printf("父进程%d已获取结果1,先创建新子进程运行f(y)\n ",getpid());
pid2=fork();
//使用fork()系统调用建立子进程,建立不成功程序退出，执行终止
if(pid2 <0){
perror("子进程2没有创建成功");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//第二个子进程，pipe2[1]用来写
if(pid2 == 0){
//关掉pipe2[0]端
close(pipe2[0]);
//计算f(y)
result2 = fy(y);
printf("子进程2完成了运算,f(y)=%d\n",result2);
//发送消息
write(pipe2[1],&result2,sizeof(int));
close(pipe2[1]);
}
//父进程
else{
waitpid(pid2, &status, 0);
close(pipe2[1]);
//接受第二个子进程从管道里发来的信息
read(pipe2[0],&result2,sizeof(int));
result = fxy(result1,result2);
printf("f(x) = %d\n",result1);
printf("f(y) = %d\n",result2);
printf("f(x,y) = %d\n",result);
//读完成后关闭管道
close(pipe2[1]);
//父进程执行结束
return EXIT_SUCCESS;
}
}
}运行结果
踩的坑
1、读只能从端口0进行，写从端口1进行
2、编程思路：对于一个进程它必须只要要完成一个操作单位体，计算一个递归函数就是一个操作单位体
3、
赋值运算优先级小于比较运算：所以if(pid1=fork()>0)此时执行的是if(pid1=(fork()>0))，也就是说pid1并未得到fork（）返回的子进程pid而是得到比较运算结果1。
解决方案：1、可以把pid=fork，与pid>0分成两步去实现；2、可以修改if(pid1=fork()>0)为if(（pid1=fork()）>0)
makefile文件编写
# DEPEND 代替 依赖文件
# CC 代替 gcc
# CFLAGS 代替 编译命令
# PARA 代替 参数
# OBJS 代替 目标文件
DEPEND=expr_2.c
OBJS=expr_2
CC=gcc
CFLAGS=-o
expr_1:$(DEPEND)
$(CC) $(DEPEND) $(CFLAGS) $(OBJS)
run:$(OBJS)
./$(OBJS)
clean:
rm *.o $(OBJS) -rf
实验感悟
一、进程协作的特点：
- 共享资源：进程协作和通信允许多个进程共享资源，本示例中父子进程共享变量x
- 数据传输：进程可以通过通信机制相互传输数据，以实现信息交换和共享。本实验代码中进程之间传输不同函数运行的结果，从而实现协作
- 进程间控制：进程协作可以通过管道、消息队列、共享内存等实现进程间的控制和协调。本实验中采用管道控制
二、进程通信机制：
目前我们已经学习的有四种类型，如下：
-
管道：管道是一种单向通信机制，用于在具有亲缘关系的进程之间传递数据。它可以通过创建一个管道文件描述符来实现进程间的通信
-
消息队列：消息队列是一种存放消息的容器，进程可以通过发送和接收消息来实现通信。消息队列提供了一种异步通信的方式
-
共享内存：共享内存允许多个进程共享同一块内存区域，进程可以通过读写共享内存来交换数据
-
信号量（Semaphore）：信号量是一种用于进程间同步和互斥访问共享资源的机制。进程可以使用信号量来控制对共享资源的访问
其中管道主要用于父子两个进程之间的简单通信，是单向的。实现起来也简单快捷，但是无法处理多个进程之间的复杂协作
三、进程管道通信的具体流程：
-
创建管道：通过调用系统的管道函数，创建一个管道，它会返回两个文件描述符，一个用于读取数据，一个用于写入数据
-
创建子进程：使用系统调用（如fork()）创建一个新的子进程
-
父子进程通信：父进程可以通过写入管道的文件描述符将数据发送给子进程，子进程可以通过读取管道的文件描述符接收数据
-
关闭管道：当通信结束后，父进程和子进程都需要关闭管道的文件描述符，释放相关的资源
总结
本文到这里就结束啦~~
本篇文章重点在于利用linux系统的完成操作系统的实验，巩固课堂知识
本篇文章的撰写+实验代码调试运行+知识点细致化学习，共花了本人3h左右的时间
个人觉得已经非常详细啦，如果仍有不够希望大家多多包涵~~如果觉得对你有帮助，辛苦友友点个赞哦~
知识来源：山东大学《操作系统原理实用实验教程》张鸿烈老师编著
![【牛客】[HNOI2003]激光炸弹](https://img-blog.csdnimg.cn/direct/4b9f37466d494471bfd12a444a93d721.png)
