| 專案 | 內容 |
| 這個作業屬於哪個課程 | Linux系統與應用 |
| 這個作業的要求在哪裡 | 作業要求連結 |
| 學號-姓名 | 17041428-朱槐健 |
| 作業學習目標 | （1）瞭解程式間通訊的常用方式 （2）掌握管道、訊息佇列、訊號量、共享記憶體實現程式間通訊的方法 |
1. 管道通訊
-
匿名管道：
當程式使用 pipe 函式，就可以開啟位於核心中的這個特殊“檔案”。同時 pipe 函式會返回兩個描述
符，一個用於讀，一個用於寫。如果你使用 fstat 函式來測試該描述符，可以發現此檔案型別為
FIFO 。而無名管道的無名，指的就是這個虛幻的“檔案”，它沒有名字。
man 2 pipe
pipe 函式開啟的檔案描述符是通過引數（陣列）傳遞出來的，而返回值表示開啟成功（0）或失敗（-1）。
它的引數是一個大小為 2 的陣列。此陣列的第 0 個元素用來接收以讀的方式開啟的描述符，而第 1 個元素用來接收以寫的方式開啟的描述符。也就是說， pipefd[0] 是用於讀的，而 pipefd[1] 是用於寫的。
開啟了檔案描述符後，就可以使用 read(pipefd[0]) 和 write(pipefd[1]) 來讀寫資料了。
注意事項:
這兩個分別用於讀寫的描述符必須同時開啟才行，否則會出問題。
如果關閉讀 ( close(pipefd[0]) ) 端保留寫端，繼續向寫端 ( pipefd[1] ) 端寫資料( write 函式)的程式會收到 SIGPIPE 訊號。
如果關閉寫 ( close(pipefd[1]) ) 端保留讀端，繼續向讀端 ( pipefd[0] ) 端讀資料( read 函式)， read 函式會返回 0.
例題：父程式 fork 出一個子程式，通過無名管道向子程式傳送字元，子程式收到資料後將字串中的
小寫字元轉換成大寫並輸出。
- 命名管道
1）通過命令mkfifo建立管道
man mkfifo
2）通過函式mkfifo(3)建立管道
man 3 mkfifo
FIFO檔案的特性
a）檢視檔案屬性
當使用mkfifo建立hello檔案後，檢視檔案資訊如下：
某些版本的系統在 hello 檔案後面還會跟著個 | 符號，像這樣 hello |
b) 使用 cat 命令列印 hello 檔案內容
接下來你的 cat 命令被阻塞住。
開啟另一個終端，執行：
然後你會看到被阻塞的 cat 又繼續執行完畢，在螢幕列印 “hello world” 。如果你反過來執行上面兩個命令，會發現先執行的那個總是被阻塞。
c) fifo 檔案特性
根據前面兩個實驗，可以總結：
檔案屬性前面標註的檔案型別是 p ，代表管道
檔案大小是 0
fifo 檔案需要有讀寫兩端，否則在開啟 fifo 檔案時會阻塞
當然了，如果在 open 的時候，使用了非阻塞方式，肯定是不會阻塞的。特別地，如果以非阻塞寫的方式 open ，同時沒有程式為該檔案以讀的方式開啟，會導致 open 返回錯誤(-1)，同時 errno 設定成ENXIO .
例題：編寫兩個程式，分別是傳送端 pipe_send 和接收端面 pipe_recv 。程式 pipe_send 從標準
輸入接收字元，併傳送到程式 pipe_recv ，同時 pipe_recv 將接收到的字元列印到螢幕。
分別開啟兩個終端，分別執行 pipe_send 和 pipe_recv :
現在兩個終端都處於阻塞狀態，我們在執行 pipe_send 的終端輸入資料，然後我們就可以在執行
pipe_recv 的終端看到相應的輸出：
可以用組合按鍵結束上述兩個程式。
2. IPC 核心物件
每個 IPC 核心物件都是位於核心空間中的一個結構體。具體的對於共享記憶體、訊息佇列和訊號量，他們在核心空間中都有對應的結構體來描述。當你使用 get 字尾建立核心物件時，核心中就會為它開闢一塊記憶體儲存它。只要你不顯式刪除該核心物件，它就永遠位於核心空間中，除非你關機重啟。
程式空間的高 1G 空間（ 3GB-4GB ）是核心空間，該空間中儲存了所有的 IPC 核心物件。上圖給出不同的 IPC 核心物件在記憶體中的佈局（以陣列的方式），實際作業系統的實現並不一定是陣列，也可能是連結串列或者其它資料結構等等。每個核心物件都有自己的 id 號（陣列的索引）。此 id 號可以被使用者空間使用。所以只要使用者空間知道了核心物件的 id 號，就可以操控核心物件了。
為了能夠得到核心物件的 id 號，使用者程式需要提供鍵值—— key ，它的型別是 key_t （ int 整型）。系統呼叫函式（ shmget , msgget 和 semget ）根據 key ，就可以查詢到你需要的核心 id號。在核心建立完成後，就已經有一個唯一的 key 值和它繫結起來了，也就是說 key 和核心物件是一一對應的關係。（ key = 0 為特殊的鍵，它不能用來查詢核心物件）
建立 IPC 核心物件
man 2 shmget
man 2 msgget
man 2 semget
在建立 IPC 核心物件時，使用者程式一定需要提供 key 值才行。實際上，建立 IPC 核心物件的函式和獲取核心物件 id 的函式是一樣的，都是使用 get 字尾函式。比如在鍵值 0x8888 上建立 ipc 核心物件，並獲取其 id ，應該像下面這樣：
// 在 0x8888 這個鍵上建立核心物件，許可權為 0644，如果已經存在就返回錯誤。 int id = shmget(0x8888, 4096, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0644); int id = msgget(0x8888, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0644); int id = semget(0x8888, 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0644); // 第二個參數列示建立 幾個訊號量
例題：程式 ipccreate 用於在指定的鍵值上建立 ipc 核心物件。使用格式為 ./ipccreate ，比如./ipccreate 0 0x8888 表示在鍵值 0x8888 上建立共享記憶體。
獲取 ipc 核心物件
程式 ipcget 用於在指定的鍵值上獲取 ipc 核心物件的 id 號。使用格式為 ./ipcget ，比如./ipcget 0 0x8888 表示獲取鍵值 0x8888 上的共享記憶體 id 號。
3. 共享記憶體
前面已經知道如何建立核心物件，接下來分別瞭解三種核心物件的操作：
man 2 shmop
man 2 shmctl
例題：編寫一個程式 shmctl 可以用來建立、刪除核心物件，也可以掛接、解除安裝共享記憶體，還可以列印、設定核心物件資訊。具體使用方法具體見下面的說明：
./shmctl -c : 建立核心物件。
./shmctl -d : 刪除核心物件。
./shmctl -v : 顯示核心物件資訊。
./shmctl -s : 設定核心物件（將許可權設定為 0600 ）。
./shmctl -a : 掛接和解除安裝共享記憶體（掛接 5 秒後，再執行 shmdt ，然後退出）。
先在另一個終端執行 ./shmctl -a ，然後在當前終端執行 ./shmctl -v
4. 訊息佇列
訊息佇列本質上是位於核心空間的連結串列，連結串列的每個節點都是一條訊息。每一條訊息都有自己的消型別，訊息型別用整數來表示，而且必須大於 0.每種型別的訊息都被對應的連結串列所維護，下圖 展示了核心空間的一個訊息佇列：
其中數字 1 表示型別為 1 的訊息，數字2、3、4 類似。彩色塊表示訊息資料，它們被掛在對應型別連結串列上。值得注意的是，剛剛說過沒有訊息型別為 0 的訊息，實際上，訊息型別為 0 的連結串列記錄了所有訊息加入佇列的順序，其中紅色箭頭表示訊息加入的順序。
訊息佇列相關的函式
man 2 msgop
訊息資料格式
無論你是傳送還是接收訊息，訊息的格式都必須按照規範來。簡單的說，它一般長成下面這個樣子：
struct Msg{
long type;
// 訊息型別。這個是必須的，而且值必須 > 0，這個值被系統使用
// 訊息正文，多少位元組隨你而定
// ...
}
例題：程式 msg_send 和 msg_recv 分別用於向訊息佇列傳送資料和接收資料。 msg_send 程式定義了一個結構體 Msg ，訊息正文部分是結構體 Person 。該程式向訊息佇列傳送了 10 條訊息。
程式 msg_send 第一次執行完後，核心中的訊息佇列大概像下面這樣：
msg_recv 程式接收一個引數，表示接收哪種型別的訊息。比如 ./msg_recv 4 表示接收型別為 4 的訊息，並列印在螢幕。
先執行 ./msg_send ，再執行 ./msg_recv 。
接收所有訊息:
接收型別為 4 的訊息,這時要重新執行 ./msg_send :
接收型別小於等於 3 的所有訊息,這是不用再執行 ./msg_send :
還有一個函式來操作訊息佇列核心物件的
man 2 msgctl
5. 訊號量
設定和獲取訊號量值的函式 semctl :
man 2 semctl
請求和釋放訊號量 semop
man 2 semop
struct sembuf { unsigned short sem_num; /* semaphore number */ short sem_op; /* semaphore operation */ short sem_flg; /* operation flags */ }
例題：訊號量操作示例
例題：使用訊號量實現父子程式之間的同步，防止父子程式搶奪 CPU 。
這裡可以看到字元是成對出現的，如果大家修改程式把57行 sem_p(); 和64行 sem_v(); 註釋掉，在編譯執行會發現字元可能就不會成對出現了，這裡就是用訊號量來幫我們實現程式間的同步的。