HDU操作系统课程设计实验三

最新推荐文章于 2025-05-21 16:17:15 发布

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HDU操作系统课程设计实验三

这是一个比较简单、容易的实验，前提条件是对Linux的信号量、进程创建与删除、管道通信、消息队列、共享内存等进程通信方式有一定的了解。注意：实验时要用到很多信号量，每个信号量创建之前需要unlink，但只有最后执行的unlink生效，所以注意运行多个程序的时候，带unlink的程序需要提前运行，不然会导致其他程序创建的信号量失效。

一、设计目的

(1)通过对Linux进程控制的相关系统调用的编程应用，进一步加深对进程概念的理解,明确进程和程序的联系和区别，理解进程并发执行的具体含义。
(2)通过Linux管道通信机制、消息队列通信机制、共享内存通信机制的应用，加深对不同类型的进程通信方式的理解。
(3)通过对Linux的Posix信号量及IPC信号量的应用，加深对信号量同步机制的理解。
(4)请根据自身情况，进一步阅读分析相关系统调用的内核源码实现。

二、内容要求

1.实现一个模拟的shell，基本功能加find、grep命令
2.实现一个管道通信程序，基本功能加有名管道通信
3.利用Linux的消息队列通信机制实现两个线程间的通信，基本功能加多进程（线程）同步、互斥通信
4.利用Linux的共享内存通信机制实现两个进程间的通信，基本功能加双向通信

三、实验内容

信号量的使用

POSIX无名信号量：

sem_t sem; //创建信号量
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int val); //pshared为0则线程间共享，pshared为1则父子进程共享
int sem_wait(sem_t *sem); //阻塞，信号量减一
int sem_trywait(sem_t *sem); //非阻塞，信号量减一
int sem_post(sem_t *sem); //信号量加一
int sem_destroy(sem_t *sem); //删除信号量

进程间共享则sem必须放在共享内存区域（mmap, shm_open, shmget），父进程的全局变量、堆、栈中存储是不行的

POSIX有名信号量：

sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, mode_t mode, int val); //创建/打开信号量
//name：信号量的名字
//oflag：使用O_CREAT（如果信号量已经存在，则O_CREAT什么都不做函数也不出错）。如果使用O_CREAT|O_EXCL（表示如果信号量已存在，则创建失败，sem_open函数出错返回）
//mode：表示谁可以访问信号量
//value：指定信号量的初始值。取值范围是0~SEM_VALUE_MAX
int sem_wait(sem_t *sem); //阻塞，信号量减一
int sem_trywait(sem_t *sem); //非阻塞，信号量减一
int sem_post(sem_t *sem); //信号量加一
int sem_close(sem_t *sem); //关闭信号量
int sem_unlink(const char *name); //删除信号量

每个open的位置都要close和unlink，但只有最后执行的unlink生效
本文全部使用有名信号量。

1.实现一个模拟的shell，基本功能加find、grep命令

实验要求： 编写三个不同的程序cmd1.c、cmd2.c及cmd3.c，每个程序的功能自定，分别编译成可执行文件cmdl、cmd2及cmd3。然后再编写一个程序，模拟shell程序的功能：能根据用输入的字符串(表示相应的命令名)，为相应的命令创建子进程并让它去执行相应的程序，而父进程则等待子进程结束，然后再等待接收下一条命令。如果接收到的命令为exit，则父进程结束，退出模拟shell如果接收到的命令是无效命令，则显示“Command not found”，继续等待输入下一条命令。此外，还要实现find、grep命令，可以通过system()函数调用find、grep功能实现。
实验思路： 直接使用现有的C语言函数来实现shell命令即可。C程序调用shell脚本共有三种办法：system()、popen()、exec函数族。
system() ：不用你自己去产生进程，它已经封装了，直接加入自己的命令。定义格式：int system(const char * string); //string为shell命令

exec函数族：使用vfork()新建子进程，然后调用exec函数族。定义格式：
int exec函数(const char *path, const char *arg, ...); path为调用shell命令程序的地址，arg为具体参数，不一样的参数类型使用不一样的exec函数。

popen() ：定义格式：FILE * popen( const char * command,const char * type);通过创建一个管道，调用fork()产生一个子进程，执行一个shell以运行command命令来开启一个进程。参数type中“r”代表读取，“w”代表写入。

本文为了便于实现采用system()的方法，有同学采用exec函数族实现同样效果，但比较麻烦。
参考代码：

int main()
{
   
   
    char command[100],cmd[55],token[50];
    int status;
    pid_t pid;
    while(1)
    {
   
   
        printf("shell:");
        scanf("%[^\n]%*c",command); //读入一行（同时去掉回车）
        status = -1;
        clear_space(command,token); //去除多余的空格
        if(!strcmp(token,"cmd1") || !strcmp(token,"cmd2") || !strcmp(token,"cmd3")) //注：此处调用子程序命令与linux命令不同，直接使用程序名调用，用空的同学可以改成和linux命令一样，使用相对或者绝对路径调用。
        {
   
   
            pid = fork();
            if(pid < 0)
            {
   
   
                printf("fork error\n");
            }
            else if(pid > 0)
            {
   
   
                wait(&status); //等待子进程运行结束
            }
            else
            {
   
   
                sprintf(cmd,"./%s",token); //添加相对路径
                system(cmd); //system()调用命令
		exit(0);
            }
        }
        else if(!strcmp(token,"exit"))
        {
   
   
            printf("shell exit\n");
	    break ;
        }
        else if(!strcmp(token,"find") || !strcmp(token,"grep"))
        {
   
   
            system(command); //system()调用指令
        }
        else
        {
   
   
            printf("Command not found\n");
        }
    }

2.实现一个管道通信程序，基本功能加有名管道通信

实验要求： 由父进程创建一个管道，然后再创建三个子进程，并由这三个子进程利用管道与父进程之间进行通信：子进程发送信息，父进程等三个子进程全部发完消息后再接收信息。通信的具体内容可根据自己的需要随意设计，要求能试验阻塞型读写过程中的各种情况，测试管道的默认大小，并且要求利用Posix信号量机制实现进程间对管道的互斥访问。运行程序，观察各种情况下，进程实际读写的字节数以及进程阻塞唤醒的情况。此外，还要实现有名管道的功能。
实验思路：

**无名管道：**需要指定两个文件描述符，通过pipe()函数创建一个管道文件使其一端读文件一端写。对管道文件的读写和普通文件一样，直接用read()和write()函数。读写之前要调用close()关闭不需要的写读描述符。

int fd[2];
pipe(fd);

其中默认 fd[0]读文件，fd[1]写文件。
参考代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <semaphore.h>
#include <signal.h>
#include <fcntl.h>

int main()
{
   
   
    int fd[2],pipe_num;
    char buf[150];
    sem_t *Mutex;
    sem_t *send;
    sem_t *receive;
    pid_t pid;

    memset(buf,0,sizeof(buf));
    sem_unlink("Mutex");
    sem_unlink("send");
    sem_unlink("receive");

    Mutex = sem_open("Mutex",O_CREAT,0666,1);
    send = sem_open("send",O_CREAT,0666,1);
    receive = sem_open("receive",O_CREAT,0666,0);

    pipe_num = pipe(fd);
    if(pipe_num == -1)
    {
   
   
        printf("pipe create error\n");
        return