操作系统原理实验报告

课程名称	操作系统原理实验
实验项目名称	实验九消息队列

实验目的

了解 Linux 系统的进程间通信机构 (IPC)；
理解Linux 关于消息队列的概念；
掌握 Linux 支持消息队列的系统调用；
巩固进程同步概念。

实验内容

在并发进程问通过消息队列进行通信；
使用系统调用：msgget （)、msgsnd ()、 msgrcv ()、msgctl ()。

实验步骤

一、基本概念

消息队列保存在内核中，是一个由消息结构组成的链表，每个消息队列（链表）有消息队列标识符。消息队列允许一个或多个进程写入或读取消息，因此消息队列提供了一种从一个进程向另一个进程发送一个数据块的方法，并可实现双向通信。消息队列解决了读写进程的同步和阻塞问题。

二、有关 System V 消息队列的系统调用

System V 消息队列需使用下列头文件：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

1、创建消息队列函数：int msgget(key_t key, int msgflg)

2、向消息队列中发送信息：int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg)

3、从消息队列中接收信息：size_t msgrev(int msqid, void *msgp, size _t msgsz, long msgtyp, int msgflg)

4、在消息队列上执行指定操作：int msgetl(int msgid, int emd, struct msqid ds *buf)

三、例程：使用消息队列进行并发进程间传递信息

例程 0

先启动服务器端，再启动客户端进程，查看消息队列：

正常发送完10条数据后，进程自动退出，查看消息队列，发现已经自动删除：

注：删除服务器端的msgctl(msgqid,IPC_RMID,0);，则在退出进程后消息队列仍然存在

这里，服务器端进程必须先执行，该进程会先创建好传输结点、75号消息队列并进入循环等待接收数据，在完成接收后删除消息队列。客户端则先连接75号消息队列，然后循环10次接收键入信息、写入结点并发送的过程，然后退出进程。

例程 1，两个进程并发执行，通过消息队列，分别进行消息的发送和接收。

编译链接通过后，在两个终端分别运行发送进程和接收进程，观察进程并发执行结果，并思考下述问题：

1、熟悉和消息队列相关的系统调用；

启动服务器端、客户端进程，查看消息队列：

尝试发送数据：

这里的程序相较于例程0来说功能方面没有差别，但是结构、安全性方面更加完善。

服务器端先声明传输结点，然后创建1234号消息队列（这里有错误返回），最后进入循环等待接收信息（这里有错误返回），并在接收到“end”后结束循环，并删除消息队列然后结束进程（这里有错误返回）。客户端开始时也会创建1234号消息队列，因此不需要先启动服务器端，然后循环接收键入信息并写入结点传输，并在接收到“end”后结束循环然后退出进程。

这里值得注意的是，及时客户端发送的数据不是“end”仍然可能会导致进程退出，推测是判断的时候是从缓冲区开始处开始判断字符“end”，只要匹配到就会退出而不管后面是否还有字符。

2、尝试运行多个发送进程和多个接收进程，观察进程的并发执行情况，并解释原因。

启动两个服务器端和客户端：

在这里，先后启动的一对服务器、客户端进程之间可以进行数据发送，且不同对的进程之间的数据传输不共享，却又同时使用一个消息队列。因此我们可以看到在客户端1结束进程后，导致服务器端2的消息队列结束，产生43号错误。

例程2，三个线程（两个发送者，一个接收者）并发执行。通过消息队列，分别进行消息的发送和接收。

编译链接通过后，运行程序，通过程序提示，观察多线程的并发执行，并思考下述问题：

1、熟悉和消息队列相关的系统调用；

启动进程，查看进程树、消息队列：

尝试发送数据：

观察到这里生产者1陷入饥饿状态，这是由于生产者2结束后又直接执行生产者2线程。

在生产者线程发送完成后加入sleep：

程序生产者交替执行，也可以通过控制sleep时间来实现随机执行。

这里程序仍然是生产者-消费者问题，程序先创建后信号量，然后创建3个子线程（分别对应2个生产者1个消费者），并在3个子线程都结束后结束进程。对于消费者线程，完成初始化后创建消息队列，然后进入循环等待接收信息（这里读取结点信息时，可以通过结点内数据来判断信息是由哪个进程发送的）。并在接收到结束信息时返回结束的信号来告诉生产者线程可以结束了。对于发送者线程，完成初始化后链接到消息队列，然后进行数据的发送。

2、回顾与 POSIX 线程控制和信号量相关的函数；

#include <semaphore.h>
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
Link with -lrt or -pthread.

#include <semaphore.h>
int sem_post(sem_t *sem);
Link with -lrt or -pthread.

#include <semaphore.h>
int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_trywait(sem_t *sem);
int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);
Link with -lrt or -pthread

https://blog.csdn.net/vickytong1018/article/details/67631802

3、尝试删除信号量的同步控制，观察并发线程运行的混乱情况；

启动进程，查看进程树、消息队列：

尝试发送数据：

观察到发送产生混乱，使用客户端1发送数据会被判断为客户端2发送。因为这里没有进行进程同步、互斥，因此产生了并发线程运行的混乱情况。

4、厘清例程中并发线程同步和互斥关系。

w_mutex：互斥信号量，用于控制生产者对临界区（消息队列）的独占；
empty、full：一组同步信号量，用于控制临界区（消息队列）的生产；
over：互斥信号量，用于控制生产者在消费者接收到结束信号后退出线程；
rcv_dp、snd_dp：一组同步信号量，用于控制消费者对临界区（消息队列）消费。

这里，利用w_mutex来控制两个生产者的生产；利用over来控制生产者线程的推出；利用empty、full来同步生产者对临界区（消息队列）的生产；利用rcv_dp、snd_dp来同步消费者对临界区（消息队列）消费。

四、编程题

修改例程 1，模仿例程 2，在原有的 MSG1 向 MSG2 发送消息的基础上，实现 MSG2也能向 MSG1 发送消息，即两并发进程能通过消息队列，实现双向对话。运行效果如下图所示。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/msg.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>#define MSGKEY1 66
#define MSGKEY2 68struct msgform
{long mtype;char mtext[1000];
}msg;int msgqid;void server( ) {msgqid=msgget(MSGKEY1,0777|IPC_CREAT);while (1){sleep(1);msgrcv(msgqid,&msg,1024,0,0);if (msg.mtype == 2) {printf("(server)received:%s\n", msg.mtext);strcpy(msg.mtext, "");msg.mtype = 1;msgsnd(msgqid, &msg, 1024, 0);}elsecontinue;}
}
void client() {/*打开消息队列*/msgqid=msgget(MSGKEY2,0777|IPC_CREAT);while (1) {sleep(1);scanf("%s", msg.mtext);msg.mtype = 2;msgsnd(msgqid, &msg, 1024, 0);}
}
int main( )
{if(fork()!=0)server();elseclient();
}

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/msg.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>#define MSGKEY1 66
#define MSGKEY2 68struct msgform
{long mtype;char mtext[1000];
}msg;int msgqid;void server( ) {msgqid=msgget(MSGKEY2,0777|IPC_CREAT);while (1){sleep(1);msgrcv(msgqid,&msg,1024,0,0);if (msg.mtype == 2) {printf("(server)received:%s\n", msg.mtext);strcpy(msg.mtext, "");msg.mtype = 1;msgsnd(msgqid, &msg, 1024, 0);}elsecontinue;}
}
void client() {/*打开消息队列*/msgqid=msgget(MSGKEY1,0777|IPC_CREAT);while (1) {sleep(1);scanf("%s", msg.mtext);msg.mtype = 2;msgsnd(msgqid, &msg, 1024, 0);}
}
int main( )
{if(fork()!=0)server();elseclient();
}

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ZUCC_操作系统原理实验_实验九消息队列

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一、基本概念

二、有关 System V 消息队列的系统调用

三、例程：使用消息队列进行并发进程间传递信息

例程 0

例程 1，两个进程并发执行，通过消息队列，分别进行消息的发送和接收。

1、熟悉和消息队列相关的系统调用；

2、尝试运行多个发送进程和多个接收进程，观察进程的并发执行情况，并解释原因。

例程2，三个线程（两个发送者，一个接收者）并发执行。通过消息队列，分别进行消息的发送和接收。

1、熟悉和消息队列相关的系统调用；

2、回顾与 POSIX 线程控制和信号量相关的函数；

3、尝试删除信号量的同步控制，观察并发线程运行的混乱情况；

4、厘清例程中并发线程同步和互斥关系。

四、编程题

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