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操作系统/实验/实验04_进程间通信.md
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437
操作系统/实验/实验04_进程间通信.md
Normal file
@@ -0,0 +1,437 @@
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# 实验04 Linux 进程间通信
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## 实验目的
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1. 掌握管道（pipe）的使用方法
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2. 掌握 System V 消息队列（message queue）的创建和使用
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3. 掌握共享内存（shared memory）配合信号量的同步通信
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4. 了解命名管道（FIFO）在多进程通信中的应用
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5. 理解不同 IPC 机制的适用场景和性能特点
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## 涉及知识点
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- 匿名管道：`pipe`、父子进程间通信
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- System V 消息队列：`msgget`、`msgsnd`、`msgrcv`、`msgctl`
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- System V 共享内存：`shmget`、`shmat`、`shmdt`、`shmctl`
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- System V 信号量：`semget`、`semop`、`semctl`
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- 命名管道（FIFO）：`mkfifo`
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- IPC 键值：`ftok`
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## 任务一：task71.c —— 父子进程管道通信
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### 任务要求
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父进程创建 2 个子进程，通过管道实现父子进程间的通信：
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1. 子进程 1 向管道写入消息
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2. 子进程 2 从管道读取消息并显示
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3. 父进程等待所有子进程结束
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### 关键代码提示
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```c
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#include <stdio.h>
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#include <stdlib.h>
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#include <unistd.h>
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#include <string.h>
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#include <sys/wait.h>
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int main() {
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int pipefd[2]; // pipefd[0]=读端, pipefd[1]=写端
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pid_t pid1, pid2;
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if (pipe(pipefd) < 0) {
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perror("pipe");
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exit(1);
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}
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// 子进程 1：写端
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pid1 = fork();
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if (pid1 == 0) {
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close(pipefd[0]); // 关闭读端
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char *msg = "Hello from child 1!";
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write(pipefd[1], msg, strlen(msg) + 1);
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||||
printf("子进程1(PID=%d): 发送消息 -> %s\n", getpid(), msg);
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close(pipefd[1]);
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exit(0);
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}
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// 子进程 2：读端
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pid2 = fork();
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if (pid2 == 0) {
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close(pipefd[1]); // 关闭写端
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char buf[256];
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int n = read(pipefd[0], buf, sizeof(buf));
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||||
printf("子进程2(PID=%d): 收到消息 -> %s (共%d字节)\n",
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getpid(), buf, n);
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||||
close(pipefd[0]);
|
||||
exit(0);
|
||||
}
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||||
// 父进程：关闭两端，等待子进程
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close(pipefd[0]);
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close(pipefd[1]);
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waitpid(pid1, NULL, 0);
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||||
waitpid(pid2, NULL, 0);
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||||
printf("父进程: 所有子进程已结束\n");
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||||
return 0;
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}
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```
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### 关键要点
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- `pipe()` 创建一对文件描述符：`pipefd[0]` 读端、`pipefd[1]` 写端
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- 不使用的端口必须关闭，否则可能导致读端永远阻塞
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- 管道是半双工的，数据单向流动
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||||
- 管道缓冲区大小通常为 64KB（Linux）
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### 常见问题
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| 问题 | 原因 | 解决方法 |
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|------|------|----------|
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| 读端永远阻塞 | 写端未关闭 | 父进程中关闭两端，子进程中关闭不用的端 |
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| 数据不完整 | `read` 可能短读 | 循环读取直到满足期望字节数 |
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| 管道破裂 SIGPIPE | 读端已关闭但写端仍在写 | 检查 `write` 返回值，捕获 `SIGPIPE` |
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## 任务二：task72s.c / task72c.c —— 消息队列客户端/服务器
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### 任务要求
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- 服务器（task72s.c）：创建消息队列，等待接收客户端消息，处理后回复
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- 客户端（task72c.c）：向消息队列发送请求消息，等待服务器回复
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### 关键代码提示
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**公共头文件定义：**
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```c
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// msg_def.h
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||||
#define MSG_KEY 1234
|
||||
#define MSG_TYPE_REQUEST 1
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||||
#define MSG_TYPE_REPLY 2
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||||
typedef struct {
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long mtype; // 消息类型（必须 > 0）
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||||
char mtext[256]; // 消息内容
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} MsgBuf;
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```
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||||
**服务器 task72s.c：**
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```c
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#include <stdio.h>
|
||||
#include <stdlib.h>
|
||||
#include <string.h>
|
||||
#include <sys/ipc.h>
|
||||
#include <sys/msg.h>
|
||||
#include "msg_def.h"
|
||||
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||||
int main() {
|
||||
// 创建消息队列
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||||
int msqid = msgget(MSG_KEY, IPC_CREAT | 0666);
|
||||
if (msqid < 0) { perror("msgget"); exit(1); }
|
||||
printf("服务器: 消息队列已创建 (ID=%d)\n", msqid);
|
||||
|
||||
MsgBuf msg;
|
||||
while (1) {
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||||
// 掭收类型为 MSG_TYPE_REQUEST 的消息
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||||
if (msgrcv(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext),
|
||||
MSG_TYPE_REQUEST, 0) < 0) {
|
||||
perror("msgrcv");
|
||||
break;
|
||||
}
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||||
printf("服务器: 收到请求 -> %s\n", msg.mtext);
|
||||
|
||||
// 处理请求（简单回显）
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||||
msg.mtype = MSG_TYPE_REPLY;
|
||||
snprintf(msg.mtext, sizeof(msg.mtext),
|
||||
"服务器回复: 已收到你的消息");
|
||||
msgsnd(msqid, &msg, strlen(msg.mtext) + 1, 0);
|
||||
}
|
||||
|
||||
// 删除消息队列
|
||||
msgctl(msqid, IPC_RMID, NULL);
|
||||
return 0;
|
||||
}
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||||
```
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||||
|
||||
**客户端 task72c.c：**
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||||
```c
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||||
#include <stdio.h>
|
||||
#include <stdlib.h>
|
||||
#include <string.h>
|
||||
#include <sys/ipc.h>
|
||||
#include <sys/msg.h>
|
||||
#include "msg_def.h"
|
||||
|
||||
int main() {
|
||||
int msqid = msgget(MSG_KEY, 0666);
|
||||
if (msqid < 0) { perror("msgget"); exit(1); }
|
||||
|
||||
MsgBuf msg;
|
||||
msg.mtype = MSG_TYPE_REQUEST;
|
||||
printf("请输入消息: ");
|
||||
fgets(msg.mtext, sizeof(msg.mtext), stdin);
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||||
|
||||
// 发送请求
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||||
msgsnd(msqid, &msg, strlen(msg.mtext) + 1, 0);
|
||||
|
||||
// 接收回复
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||||
msgrcv(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), MSG_TYPE_REPLY, 0);
|
||||
printf("客户端: %s\n", msg.mtext);
|
||||
|
||||
return 0;
|
||||
}
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```
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||||
### 常见问题
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||||
| 问题 | 原因 | 解决方法 |
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|------|------|----------|
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||||
| `msgget` 失败 | 消息队列不存在或权限不足 | 确保服务器先启动，检查权限 |
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||||
| `msgrcv` 阻塞 | 没有对应类型的消息 | 检查 `mtype` 是否匹配 |
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||||
| 消息队列残留 | 程序异常退出未删除 | 用 `ipcrm -q <msqid>` 手动删除 |
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---
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## 任务三：task73.c —— 共享内存 + IPC 信号量同步
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### 任务要求
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使用共享内存实现两个进程间的数据传输，配合 System V 信号量实现同步。发送方写入 1~10，接收方依次读取并显示。
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### 关键代码提示
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```c
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#include <stdio.h>
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||||
#include <stdlib.h>
|
||||
#include <unistd.h>
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||||
#include <sys/ipc.h>
|
||||
#include <sys/shm.h>
|
||||
#include <sys/sem.h>
|
||||
#include <sys/wait.h>
|
||||
|
||||
#define SHM_KEY 5678
|
||||
#define SEM_KEY 9012
|
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|
||||
// 共享内存结构
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||||
typedef struct {
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||||
int data;
|
||||
int done; // 发送方是否完成
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||||
} SharedData;
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||||
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||||
// semop 辅助函数
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||||
void sem_op(int semid, int semnum, int op) {
|
||||
struct sembuf sb = {semnum, op, 0};
|
||||
semop(semid, &sb, 1);
|
||||
}
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||||
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||||
int main() {
|
||||
// 创建共享内存
|
||||
int shmid = shmget(SHM_KEY, sizeof(SharedData),
|
||||
IPC_CREAT | 0666);
|
||||
SharedData *shm = (SharedData *)shmat(shmid, NULL, 0);
|
||||
|
||||
// 创建信号量：0=可用槽位, 1=已有数据
|
||||
int semid = semget(SEM_KEY, 2, IPC_CREAT | 0666);
|
||||
semctl(semid, 0, SETVAL, 1); // sem[0]=1: 可写
|
||||
semctl(semid, 1, SETVAL, 0); // sem[1]=0: 无数据
|
||||
|
||||
pid_t pid = fork();
|
||||
if (pid == 0) {
|
||||
// 接收方
|
||||
for (int i = 0; i < 10; i++) {
|
||||
sem_op(semid, 1, -1); // 等待有数据
|
||||
printf("接收: %d\n", shm->data);
|
||||
sem_op(semid, 0, +1); // 释放可写
|
||||
}
|
||||
shmdt(shm);
|
||||
exit(0);
|
||||
} else {
|
||||
// 发送方
|
||||
for (int i = 1; i <= 10; i++) {
|
||||
sem_op(semid, 0, -1); // 等待可写
|
||||
shm->data = i;
|
||||
printf("发送: %d\n", i);
|
||||
sem_op(semid, 1, +1); // 通知有数据
|
||||
}
|
||||
wait(NULL);
|
||||
|
||||
// 清理
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||||
shmdt(shm);
|
||||
shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
|
||||
semctl(semid, 0, IPC_RMID);
|
||||
}
|
||||
|
||||
return 0;
|
||||
}
|
||||
```
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||||
### IPC 资源管理
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| 操作 | 命令 |
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|------|------|
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| 查看共享内存 | `ipcs -m` |
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| 查看信号量 | `ipcs -s` |
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||||
| 查看消息队列 | `ipcs -q` |
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||||
| 删除共享内存 | `ipcrm -m <shmid>` |
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||||
| 删除信号量 | `ipcrm -s <semid>` |
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||||
### 常见问题
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||||
| 问题 | 原因 | 解决方法 |
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|------|------|----------|
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||||
| 共享内存未清理 | 程序异常退出 | 用 `ipcs` 查看，`ipcrm` 手动删除 |
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||||
| 数据竞争 | 未使用信号量同步 | 确保发送方写完后才通知接收方读取 |
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||||
| `shmat` 返回 -1 | 权限不足或 key 冲突 | 检查权限，换用不同 key |
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---
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## 任务四：task74s.c / task74c.c —— 多进程并发服务器（选做）
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### 任务要求
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使用命名管道（FIFO）实现一个多进程并发服务器：
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- 服务器创建一个公共 FIFO 接收客户端请求
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||||
- 每个客户端创建自己的私有 FIFO 用于接收回复
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||||
- 服务器为每个请求 fork 一个子进程处理
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||||
### 关键代码提示
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||||
**服务器 task74s.c：**
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||||
```c
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||||
#include <stdio.h>
|
||||
#include <stdlib.h>
|
||||
#include <string.h>
|
||||
#include <unistd.h>
|
||||
#include <fcntl.h>
|
||||
#include <sys/stat.h>
|
||||
#include <sys/wait.h>
|
||||
#include <signal.h>
|
||||
|
||||
#define SERVER_FIFO "/tmp/server_fifo"
|
||||
#define CLIENT_FIFO_TEMPLATE "/tmp/client_%d_fifo"
|
||||
|
||||
typedef struct {
|
||||
pid_t client_pid;
|
||||
char message[256];
|
||||
} Request;
|
||||
|
||||
void sigchld_handler(int sig) {
|
||||
while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0);
|
||||
}
|
||||
|
||||
int main() {
|
||||
// 创建服务器 FIFO
|
||||
unlink(SERVER_FIFO);
|
||||
mkfifo(SERVER_FIFO, 0666);
|
||||
|
||||
signal(SIGCHLD, sigchld_handler);
|
||||
|
||||
printf("服务器启动，等待连接...\n");
|
||||
|
||||
int server_fd = open(SERVER_FIFO, O_RDONLY);
|
||||
Request req;
|
||||
|
||||
while (1) {
|
||||
int n = read(server_fd, &req, sizeof(Request));
|
||||
if (n <= 0) continue;
|
||||
|
||||
pid_t pid = fork();
|
||||
if (pid == 0) {
|
||||
// 子进程处理请求
|
||||
char client_fifo[256];
|
||||
snprintf(client_fifo, sizeof(client_fifo),
|
||||
CLIENT_FIFO_TEMPLATE, req.client_pid);
|
||||
|
||||
int client_fd = open(client_fifo, O_WRONLY);
|
||||
char reply[256];
|
||||
snprintf(reply, sizeof(reply),
|
||||
"服务器已处理: %s", req.message);
|
||||
write(client_fd, reply, strlen(reply) + 1);
|
||||
close(client_fd);
|
||||
exit(0);
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
close(server_fd);
|
||||
unlink(SERVER_FIFO);
|
||||
return 0;
|
||||
}
|
||||
```
|
||||
|
||||
**客户端 task74c.c：**
|
||||
|
||||
```c
|
||||
#include <stdio.h>
|
||||
#include <stdlib.h>
|
||||
#include <string.h>
|
||||
#include <unistd.h>
|
||||
#include <fcntl.h>
|
||||
#include <sys/stat.h>
|
||||
|
||||
#define SERVER_FIFO "/tmp/server_fifo"
|
||||
#define CLIENT_FIFO_TEMPLATE "/tmp/client_%d_fifo"
|
||||
|
||||
typedef struct {
|
||||
pid_t client_pid;
|
||||
char message[256];
|
||||
} Request;
|
||||
|
||||
int main() {
|
||||
// 创建私有 FIFO
|
||||
char client_fifo[256];
|
||||
snprintf(client_fifo, sizeof(client_fifo),
|
||||
CLIENT_FIFO_TEMPLATE, getpid());
|
||||
unlink(client_fifo);
|
||||
mkfifo(client_fifo, 0666);
|
||||
|
||||
// 发送请求
|
||||
Request req;
|
||||
req.client_pid = getpid();
|
||||
printf("请输入消息: ");
|
||||
fgets(req.message, sizeof(req.message), stdin);
|
||||
|
||||
int server_fd = open(SERVER_FIFO, O_WRONLY);
|
||||
write(server_fd, &req, sizeof(Request));
|
||||
close(server_fd);
|
||||
|
||||
// 接收回复
|
||||
int client_fd = open(client_fifo, O_RDONLY);
|
||||
char reply[256];
|
||||
read(client_fd, reply, sizeof(reply));
|
||||
printf("收到回复: %s\n", reply);
|
||||
|
||||
close(client_fd);
|
||||
unlink(client_fifo);
|
||||
return 0;
|
||||
}
|
||||
```
|
||||
|
||||
### 常见问题
|
||||
|
||||
| 问题 | 原因 | 解决方法 |
|
||||
|------|------|----------|
|
||||
| FIFO 文件残留 | 程序异常退出 | 启动时 `unlink` 清理旧 FIFO |
|
||||
| `open` 阻塞 | FIFO 另一端未打开 | 确保服务器先启动 |
|
||||
| 多客户端并发时数据混乱 | FIFO 是字节流，无消息边界 | 使用定长结构体或长度前缀协议 |
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 实验总结
|
||||
|
||||
通过本实验，应掌握以下能力：
|
||||
|
||||
1. 使用匿名管道实现父子进程间通信
|
||||
2. 使用消息队列实现任意进程间的消息传递
|
||||
3. 使用共享内存实现高速数据传输，配合信号量同步
|
||||
4. 使用命名管道实现无亲缘关系进程间的通信
|
||||
5. 理解不同 IPC 机制的优缺点和适用场景
|
||||
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