东北大学操作系统实验报告4-2017
实验四进程的管道通信
一、实验目的
1、加深对进程概念的理解，明确进程和程序的区别。
2、学习进程创建的过程，进一步认识进程并发执行的实质。
3、分析进程争用资源的现象，学习解决进程互斥的方法。
4、学习解决进程同步的方法。
5、掌握Linux系统中进程间通过管道通信的具体实现
二、实验内容
使用系统调用pipe()建立一条管道，系统调用fork()分别创建两个子进程，它们分别向管道写一句话，如：
Child process1 is sending a message!
Child process2 is sending a message!
父进程分别从管道读出来自两个子进程的信息，显示在屏幕上注：实际要求最好创建两个以上子进程，但不需要太多
三、实验要求
1、这是一个设计型实验，要求自行、独立编制程序。
2、两个子进程要并发执行。
3、实现管道的互斥使用。当一个子进程正在对管道进行写操作时，另一个欲写入管道的子进程必须等待。使用系统调用lockf(fd[1],1,0)实现对管道的加锁操作，用lockf(fd[1],0,0)解除对管道的锁定。
4、实现父子进程的同步，当父进程试图从一空管道中读取数据
时，便进入等待状态，直到子进程将数据写入管道返回后，才将其唤醒。
四、程序流程图
父进程
子进程
五、程序代码及注释
#include
#include
#include
#include
int main()
{
int fd[2];
pipe(fd); //父进程创建管道
char outpipe[50],inpipe[50]; //存放字符串
int pid1,pid2,pid3; //存放返回值
while((pid1 = fork()) == -1); //创建不成功就跳不出来了
if(pid1 == 0) //子进程1
{
sleep(1); //sleep函数可以决定子进程的顺序，等的时间长的话进入就晚，输出也就晚
lockf(fd[1], 1, 0); //对管道写入端口加锁
sprintf(outpipe,"\n child process 1 is sending message !\n");
write(fd[1], outpipe, 50); //把字符串内容写入管道写入口
lockf(fd[1], 0, 0); //对管道写入口解锁
exit(0);
}
else//父进程
{
while((pid2 = fork()) == -1);
if(pid2 == 0) //子进程2
{
sleep(2);
lockf(fd[1], 1, 0);
sprintf(outpipe,"\n child process 2 is sending message !\n");
write(fd[1], outpipe, 50);
lockf(fd[1], 0, 0);
exit(0);
}
else//父进程
{
while((pid3 = fork()) == -1);
if(pid3 == 0) //子进程3
{
sleep(3);
lockf(fd[1], 1, 0);
sprintf(outpipe,"\n child process 3 is sending message !\n");
write(fd[1], outpipe, 50);
lockf(fd[1], 0, 0);
exit(0);
}
else//父进程
{
wait(0); //阻塞，等待子进程
read(fd[0], inpipe, 50); //从管道读出口读出信息放到数组
printf("%s\n",inpipe);
wait(0);
read(fd[0], inpipe, 50);
printf("%s\n",inpipe);
wait(0);
read(fd[0], inpipe, 50);
printf("%s\n",inpipe); //三个子进程，要输出三次
exit(0);
}
}
}
}
六、运行结果及说明
因为加了锁，不会出现子进程同时往管道里写的情况，所以，子进程互斥地往管道里写，父进程从管道里读并输出，就显示成了如上图模样
注：一个之前不明白的流程
由fork创建的新进程被称为子进程（child process）。该函数被调用一次，但返回两次。两次返回的区别是子进程的返回值是0，而父进程的返回值则是新进程（子进程）的进程id。将子进程id返回给父进程的理由是：因为一个进程的子进程可以多于一个，没有一个函数使一个进程可以获得其所有子进程的进程id。对子进程来说，之所以fork返回0给它，是因为它随时可以调用getpid()来获取自己的pid；也可以调用getppid()来获取父进程的id。(进程id 0总是由交换进程使用，所以一个子进程的进程id不可能为0 )。
fork之后，操作系统会复制一个与父进程完全相同的子进程，虽说是父子关系，但是在操作系统看来，他们更像兄弟关系，这2个进程共享代码空间，但是数据空间是互相独立的，子进程数据空间中的内容是父进程的完整拷贝，指令指针也完全相同，子进程拥有父进程当前运行到的位置（两进程的程序计数器pc值相同，也就是说，子进程是从fork返回处开始执行的），但有一点不同，如果fork成功，子进程中fork的返回值是0，父进程中fork 的返回值是子进程的进程号，如果fork不成功，父进程会返回错误。
可以这样想象，2个进程一直同时运行，而且步调一致，在fork之后，他们分别作不同的工作，也就是分岔了。至于那一个最先运行，可能与操作系统（调度算法）有关，而且这个问题在实际应用中并不重要，如果需要父子进程协同，可以通过原语的办法解决
七、课后习题
1、指出父进程与两个子进程并发执行的顺序，并说明原因。
子进程先执行，然后父进程才执行。这是由进程的同步机制决定的，因为只有子进程向管道中写入信息后，父进程才能读取；否则父进程自己调用wait()系统调用将自己阻塞,将处理机交由子进程。至于各子进程哪个先执行，这是由操作系统决定的，不过我们也可以人为的用sleep函数设定。
2、若不对管道加以互斥控制，会有什么后果？
管道进行互斥控制，是为防止两个子进程对管道资源进行争夺而产生信息丢失或覆盖。如果不加控制，那么可能一个子进程写入的信息还没来得及被父进程读出，另一个子进程又先写入信息，那么之前的进程写入的信息将被覆盖，父进程也就读不到之前进程传递来的信息了。
3、说明你是如何实现父子进程之间的同步的。
1）父进程读出前确认管道中有数据，否则阻塞自己，用wait()实现；
2）子进程写入前确认管道中数据已被父进程读出，否则阻塞自己；