CS_learn/TCP-IP-NetworkNote
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完成了第 11 章 进程间通信

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2019-01-22 11:37:58 +08:00
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228
README.md
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@@ -2925,6 +2925,234 @@ gcc echo_mpclient.c -o eclient
### 11.1 进程间通信的基本概念
#### 11.1.1 通过管道实现进程间通信
下图是基于管道（PIPE）的进程间通信的模型：
![](https://s2.ax1x.com/2019/01/22/kFlk0s.png)
可以看出，为了完成进程间通信，需要创建进程。管道并非属于进程的资源，而是和套接字一样，属于操作系统（也就不是 fork 函数的复制对象）。所以，两个进程通过操作系统提供的内存空间进行通信。下面是创建管道的函数。
```c
#include <unistd.h>
int pipe(int filedes[2]);
/*
成功时返回 0 ，失败时返回 -1
filedes[0]: 通过管道接收数据时使用的文件描述符，即管道出口
filedes[1]: 通过管道传输数据时使用的文件描述符，即管道入口
*/
```
父进程创建函数时将创建管道，同时获取对应于出入口的文件描述符，此时父进程可以读写同一管道。但父进程的目的是与子进程进行数据交换，因此需要将入口或出口中的 1 个文件描述符传递给子进程。下面的例子是关于该函数的使用方法：
- [pipe1.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch11/pipe1.c)
```c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 30
int main(int argc, char *argv[])
{
int fds[2];
char str[] = "Who are you?";
char buf[BUF_SIZE];
pid_t pid;
// 调用 pipe 函数创建管道，fds 数组中保存用于 I/O 的文件描述符
pipe(fds);
pid = fork(); //子进程将同时拥有创建管道获取的2个文件描述符，复制的并非管道，而是文件描述符
if (pid == 0)
{
write(fds[1], str, sizeof(str));
}
else
{
read(fds[0], buf, BUF_SIZE);
puts(buf);
}
return 0;
}
```
编译运行：
```shell
gcc pipe1.c -o pipe1
./pipe1
```
结果：
```
Who are you?
```
可以从程序中看出，首先创建了一个管道，子进程通过 fds[1] 把数据写入管道，父进程从 fds[0] 再把数据读出来。可以从下图看出：
![](https://s2.ax1x.com/2019/01/22/kF8A7d.png)
#### 11.1.2 通过管道进行进程间双向通信
下图可以看出双向通信模型：
![](https://s2.ax1x.com/2019/01/22/kF84De.png)
下面是双向通信的示例：
- [pipe2.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch11/pipe2.c)
```c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 30
int main(int argc, char *argv[])
{
int fds[2];
char str1[] = "Who are you?";
char str2[] = "Thank you for your message";
char buf[BUF_SIZE];
pid_t pid;
pipe(fds);
pid = fork();
if (pid == 0)
{
write(fds[1], str1, sizeof(str1));
sleep(2);
read(fds[0], buf, BUF_SIZE);
printf("Child proc output: %s \n", buf);
}
else
{
read(fds[0], buf, BUF_SIZE);
printf("Parent proc output: %s \n", buf);
write(fds[1], str2, sizeof(str2));
sleep(3);
}
return 0;
}
```
编译运行：
```shell
gcc pipe2.c -o pipe2
./pipe2
```
结果：
```
Parent proc output: Who are you?
Child proc output: Thank you for your message
```
运行结果是正确的，但是如果注释掉第18行的代码，就会出现问题，导致一直等待下去。因为数据进入管道后变成了无主数据。也就是通过 read 函数先读取数据的进程将得到数据，即使该进程将数据传到了管道。因为，注释第18行会产生问题。第19行，自己成将读回自己在第 17 行向管道发送的数据。结果父进程调用 read 函数后，无限期等待数据进入管道。
当一个管道不满足需求时，就需要创建两个管道，各自负责不同的数据流动，过程如下图所示：
![](https://s2.ax1x.com/2019/01/22/kFJW0e.png)
下面采用上述模型改进 `pipe2.c` 。
- [pipe3.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch11/pipe3.c)
```c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 30
int main(int argc, char *argv[])
{
int fds1[2], fds2[2];
char str1[] = "Who are you?";
char str2[] = "Thank you for your message";
char buf[BUF_SIZE];
pid_t pid;
pipe(fds1), pipe(fds2);
pid = fork();
if (pid == 0)
{
write(fds1[1], str1, sizeof(str1));
read(fds2[0], buf, BUF_SIZE);
printf("Child proc output: %s \n", buf);
}
else
{
read(fds1[0], buf, BUF_SIZE);
printf("Parent proc output: %s \n", buf);
write(fds2[1], str2, sizeof(str2));
}
return 0;
}
```
上面通过创建两个管道实现了功能，此时，不需要额外再使用 sleep 函数。运行结果和上面一样。
### 11.2 运用进程间通信
#### 11.2.1 保存消息的回声服务器
下面对第 10 章的 [echo_mpserv.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch10/echo_mpserv.c) 进行改进，添加一个功能：
> 将回声客户端传输的字符串按序保存到文件中
实现该任务将创建一个新进程，从向客户端提供服务的进程读取字符串信息，下面是代码：
- [echo_storeserv.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch11/echo_storeserv.c)
编译运行：
```shell
gcc echo_storeserv.c -o serv
./serv 9190
```
此服务端配合第 10 章的客户端 [echo_mpclient.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch10/echo_mpclient.c) 使用，运行结果如下图:
![](https://s2.ax1x.com/2019/01/22/kFUCct.png)
![](https://s2.ax1x.com/2019/01/22/kFUAHS.png)
从图上可以看出，服务端已经生成了文件，把客户端的消息保存可下来，只保存了10次消息。
### 11.3 习题
> 以下答案仅代表本人个人观点，可能不是正确答案。
1. **什么是进程间通信？分别从概念和内存的角度进行说明。**
答：进程间通信意味着两个不同的进程间可以交换数据。从内存上来说，就是两个进程可以访问同一个内存区域，然后通过这个内存区域数据的变化来进行通信。
2. **进程间通信需要特殊的 IPC 机制，这是由于操作系统提供的。进程间通信时为何需要操作系统的帮助？**
答：为了进行进程间通信，需要管道的帮助，但是管道不是进程的资源，它属于从操作系统，所以，两个进程通过操作系统提供的内存空间进行通信。
3. **「管道」是典型的 IPC 技法。关于管道，请回答以下问题：**
1. **管道是进程间交换数据的路径。如何创建此路径？由谁创建？**
答：使用 pipe 函数进行创建，由操作系统创建。父进程调用该函数时将创建管道。
2. **为了完成进程间通信。2 个进程要同时连接管道。那2 个进程如何连接到同一管道？**
答：数组中有两个文件描述符，父子进程调用相关函数时，通过 fork 函数，把 1 个文件描述符传递给子进程。
3. **管道允许 2 个进程间的双向通信。双向通信中需要注意哪些内容？**
答：向管道传输数据时，先读的进程会把数据取走。简言之，就是数据进入管道候会变成无主数据，所以有时候为了防止错误，需要多个管道来进程通信。
## 第 12 章 I/O 复用
本章代码，在[TCP-IP-NetworkNote](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote)中可以找到。
### 12.1 基于 I/O 复用的服务器端
## License

227
ch11/README.md Normal file
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@@ -0,0 +1,227 @@
## 第 11 章 进程间通信
本章代码，在[TCP-IP-NetworkNote](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote)中可以找到。
进程间通信，意味着两个不同的进程中可以交换数据
### 11.1 进程间通信的基本概念
#### 11.1.1 通过管道实现进程间通信
下图是基于管道（PIPE）的进程间通信的模型：
![](https://s2.ax1x.com/2019/01/22/kFlk0s.png)
可以看出，为了完成进程间通信，需要创建进程。管道并非属于进程的资源，而是和套接字一样，属于操作系统（也就不是 fork 函数的复制对象）。所以，两个进程通过操作系统提供的内存空间进行通信。下面是创建管道的函数。
```c
#include <unistd.h>
int pipe(int filedes[2]);
/*
成功时返回 0 ，失败时返回 -1
filedes[0]: 通过管道接收数据时使用的文件描述符，即管道出口
filedes[1]: 通过管道传输数据时使用的文件描述符，即管道入口
*/
```
父进程创建函数时将创建管道，同时获取对应于出入口的文件描述符，此时父进程可以读写同一管道。但父进程的目的是与子进程进行数据交换，因此需要将入口或出口中的 1 个文件描述符传递给子进程。下面的例子是关于该函数的使用方法：
- [pipe1.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch11/pipe1.c)
```c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 30
int main(int argc, char *argv[])
{
int fds[2];
char str[] = "Who are you?";
char buf[BUF_SIZE];
pid_t pid;
// 调用 pipe 函数创建管道，fds 数组中保存用于 I/O 的文件描述符
pipe(fds);
pid = fork(); //子进程将同时拥有创建管道获取的2个文件描述符，复制的并非管道，而是文件描述符
if (pid == 0)
{
write(fds[1], str, sizeof(str));
}
else
{
read(fds[0], buf, BUF_SIZE);
puts(buf);
}
return 0;
}
```
编译运行：
```shell
gcc pipe1.c -o pipe1
./pipe1
```
结果：
```
Who are you?
```
可以从程序中看出，首先创建了一个管道，子进程通过 fds[1] 把数据写入管道，父进程从 fds[0] 再把数据读出来。可以从下图看出：
![](https://s2.ax1x.com/2019/01/22/kF8A7d.png)
#### 11.1.2 通过管道进行进程间双向通信
下图可以看出双向通信模型：
![](https://s2.ax1x.com/2019/01/22/kF84De.png)
下面是双向通信的示例：
- [pipe2.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch11/pipe2.c)
```c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 30
int main(int argc, char *argv[])
{
int fds[2];
char str1[] = "Who are you?";
char str2[] = "Thank you for your message";
char buf[BUF_SIZE];
pid_t pid;
pipe(fds);
pid = fork();
if (pid == 0)
{
write(fds[1], str1, sizeof(str1));
sleep(2);
read(fds[0], buf, BUF_SIZE);
printf("Child proc output: %s \n", buf);
}
else
{
read(fds[0], buf, BUF_SIZE);
printf("Parent proc output: %s \n", buf);
write(fds[1], str2, sizeof(str2));
sleep(3);
}
return 0;
}
```
编译运行：
```shell
gcc pipe2.c -o pipe2
./pipe2
```
结果：
```
Parent proc output: Who are you?
Child proc output: Thank you for your message
```
运行结果是正确的，但是如果注释掉第18行的代码，就会出现问题，导致一直等待下去。因为数据进入管道后变成了无主数据。也就是通过 read 函数先读取数据的进程将得到数据，即使该进程将数据传到了管道。因为，注释第18行会产生问题。第19行，自己成将读回自己在第 17 行向管道发送的数据。结果父进程调用 read 函数后，无限期等待数据进入管道。
当一个管道不满足需求时，就需要创建两个管道，各自负责不同的数据流动，过程如下图所示：
![](https://s2.ax1x.com/2019/01/22/kFJW0e.png)
下面采用上述模型改进 `pipe2.c` 。
- [pipe3.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch11/pipe3.c)
```c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 30
int main(int argc, char *argv[])
{
int fds1[2], fds2[2];
char str1[] = "Who are you?";
char str2[] = "Thank you for your message";
char buf[BUF_SIZE];
pid_t pid;
pipe(fds1), pipe(fds2);
pid = fork();
if (pid == 0)
{
write(fds1[1], str1, sizeof(str1));
read(fds2[0], buf, BUF_SIZE);
printf("Child proc output: %s \n", buf);
}
else
{
read(fds1[0], buf, BUF_SIZE);
printf("Parent proc output: %s \n", buf);
write(fds2[1], str2, sizeof(str2));
}
return 0;
}
```
上面通过创建两个管道实现了功能，此时，不需要额外再使用 sleep 函数。运行结果和上面一样。
### 11.2 运用进程间通信
#### 11.2.1 保存消息的回声服务器
下面对第 10 章的 [echo_mpserv.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch10/echo_mpserv.c) 进行改进，添加一个功能：
> 将回声客户端传输的字符串按序保存到文件中
实现该任务将创建一个新进程，从向客户端提供服务的进程读取字符串信息，下面是代码：
- [echo_storeserv.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch11/echo_storeserv.c)
编译运行：
```shell
gcc echo_storeserv.c -o serv
./serv 9190
```
此服务端配合第 10 章的客户端 [echo_mpclient.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch10/echo_mpclient.c) 使用，运行结果如下图:
![](https://s2.ax1x.com/2019/01/22/kFUCct.png)
![](https://s2.ax1x.com/2019/01/22/kFUAHS.png)
从图上可以看出，服务端已经生成了文件，把客户端的消息保存可下来，只保存了10次消息。
### 11.3 习题
> 以下答案仅代表本人个人观点，可能不是正确答案。
1. **什么是进程间通信？分别从概念和内存的角度进行说明。**
答：进程间通信意味着两个不同的进程间可以交换数据。从内存上来说，就是两个进程可以访问同一个内存区域，然后通过这个内存区域数据的变化来进行通信。
2. **进程间通信需要特殊的 IPC 机制，这是由于操作系统提供的。进程间通信时为何需要操作系统的帮助？**
答：为了进行进程间通信，需要管道的帮助，但是管道不是进程的资源，它属于从操作系统，所以，两个进程通过操作系统提供的内存空间进行通信。
3. **「管道」是典型的 IPC 技法。关于管道，请回答以下问题：**
1. **管道是进程间交换数据的路径。如何创建此路径？由谁创建？**
答：使用 pipe 函数进行创建，由操作系统创建。父进程调用该函数时将创建管道。
2. **为了完成进程间通信。2 个进程要同时连接管道。那2 个进程如何连接到同一管道？**
答：数组中有两个文件描述符，父子进程调用相关函数时，通过 fork 函数，把 1 个文件描述符传递给子进程。
3. **管道允许 2 个进程间的双向通信。双向通信中需要注意哪些内容？**
答：向管道传输数据时，先读的进程会把数据取走。简言之，就是数据进入管道候会变成无主数据，所以有时候为了防止错误，需要多个管道来进程通信。

102
ch11/echo_storeserv.c Normal file
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@@ -0,0 +1,102 @@
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);
void read_childproc(int sig);
int main(int argc, char *argv[])
{
int serv_sock, clnt_sock;
struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
int fds[2];
pid_t pid;
struct sigaction act;
socklen_t adr_sz;
int str_len, state;
char buf[BUF_SIZE];
if (argc != 2)
{
printf("Usgae : %s <port>\n", argv[0]);
exit(1);
}
act.sa_handler = read_childproc; //防止僵尸进程
sigemptyset(&act.sa_mask);
act.sa_flags = 0;
state = sigaction(SIGCHLD, &act, 0); //注册信号处理器,把成功的返回值给 state
serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); //创建服务端套接字
memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
serv_adr.sin_family = AF_INET;
serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
if (bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1) //分配IP地址和端口号
error_handling("bind() error");
if (listen(serv_sock, 5) == -1) //进入等待连接请求状态
error_handling("listen() error");
pipe(fds);
pid = fork();
if (pid == 0)
{
FILE *fp = fopen("echomsg.txt", "wt");
char msgbuf[BUF_SIZE];
int i, len;
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
len = read(fds[0], msgbuf, BUF_SIZE);
fwrite((void *)msgbuf, 1, len, fp);
}
fclose(fp);
return 0;
}
while (1)
{
adr_sz = sizeof(clnt_adr);
clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &adr_sz);
if (clnt_sock == -1)
continue;
else
puts("new client connected...");
pid = fork(); //此时，父子进程分别带有一个套接字
if (pid == 0) //子进程运行区域,此部分向客户端提供回声服务
{
close(serv_sock); //关闭服务器套接字，因为从父进程传递到了子进程
while ((str_len = read(clnt_sock, buf, BUFSIZ)) != 0)
{
write(clnt_sock, buf, str_len);
write(fds[1], buf, str_len);
}
close(clnt_sock);
puts("client disconnected...");
return 0;
}
else
close(clnt_sock); //通过 accept 函数创建的套接字文件描述符已经复制给子进程，因为服务器端要销毁自己拥有的
}
close(serv_sock);
return 0;
}
void error_handling(char *message)
{
fputs(message, stderr);
fputc('\n', stderr);
exit(1);
}
void read_childproc(int sig)
{
pid_t pid;
int status;
pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG);
printf("removed proc id: %d \n", pid);
}

24
ch11/pipe1.c Normal file
View File

@@ -0,0 +1,24 @@
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 30
int main(int argc, char *argv[])
{
int fds[2];
char str[] = "Who are you?";
char buf[BUF_SIZE];
pid_t pid;
// 调用 pipe 函数创建管道，fds 数组中保存用于 I/O 的文件描述符
pipe(fds);
pid = fork(); //子进程将同时拥有创建管道获取的2个文件描述符，复制的并非管道，而是文件描述符
if (pid == 0)
{
write(fds[1], str, sizeof(str));
}
else
{
read(fds[0], buf, BUF_SIZE);
puts(buf);
}
return 0;
}

30
ch11/pipe2.c Normal file
View File

@@ -0,0 +1,30 @@
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 30
int main(int argc, char *argv[])
{
int fds[2];
char str1[] = "Who are you?";
char str2[] = "Thank you for your message";
char buf[BUF_SIZE];
pid_t pid;
pipe(fds);
pid = fork();
if (pid == 0)
{
write(fds[1], str1, sizeof(str1));
sleep(2);
read(fds[0], buf, BUF_SIZE);
printf("Child proc output: %s \n", buf);
}
else
{
read(fds[0], buf, BUF_SIZE);
printf("Parent proc output: %s \n", buf);
write(fds[1], str2, sizeof(str2));
sleep(3);
}
return 0;
}

28
ch11/pipe3.c Normal file
View File

@@ -0,0 +1,28 @@
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 30
int main(int argc, char *argv[])
{
int fds1[2], fds2[2];
char str1[] = "Who are you?";
char str2[] = "Thank you for your message";
char buf[BUF_SIZE];
pid_t pid;
pipe(fds1), pipe(fds2);
pid = fork();
if (pid == 0)
{
write(fds1[1], str1, sizeof(str1));
read(fds2[0], buf, BUF_SIZE);
printf("Child proc output: %s \n", buf);
}
else
{
read(fds1[0], buf, BUF_SIZE);
printf("Parent proc output: %s \n", buf);
write(fds2[1], str2, sizeof(str2));
}
return 0;
}