1、實驗四：Linux進程及文件操作程序設(shè)計第一部分 Linux下文件控制程序設(shè)計一、實驗目的 1. 熟悉Linux下文件控制程序設(shè)計方法。 2. 掌握利用文件鎖實現(xiàn)文件互斥訪問程序設(shè)計方法。 二、實驗設(shè)備裝有RedHat EnterpriseLinux操作系統(tǒng)的PC機三、實驗內(nèi)容1、預備知識 當多個用戶共同使用、操作一個文件時，Linux 通常采用的方法是給文件上鎖，來避免共享的資源產(chǎn)生競爭的狀態(tài)。文件鎖包括建議性鎖和強制性鎖。建議性鎖要求每個上鎖文件的進程都要檢查是否有鎖存在，并且尊重已有的鎖。在一般情況下，內(nèi)核和系統(tǒng)都不使用建議性鎖。強制性鎖是由內(nèi)核執(zhí)行的鎖，當一個文件被上鎖進行寫入操作的時

2、候，內(nèi)核將阻止其他任何文件對其進行讀寫操作。采用強制性鎖對性能的影響很大，每次讀寫操作都必須檢查是否有鎖存在。 在Linux 中，實現(xiàn)文件上鎖的函數(shù)有flock和fcntl，其中flock用于對文件施加建議性鎖，而fcntl不僅可以施加建議性鎖，還可以施加強制鎖。同時，fcntl還能對文件的某一記錄進行上鎖，也就是記錄鎖。 記錄鎖又可分為讀取鎖和寫入鎖，其中讀取鎖又稱為共享鎖，它能夠使多個進程都能在文件的同一部分建立讀取鎖。而寫入鎖又稱為排斥鎖，在任何時刻只能有一個進程在文件的某個部分上建立寫入鎖。當然，在文件的同一部分不能同時建立讀取鎖和寫入鎖。 2、fcntl（）函數(shù)格式 用于建立記錄鎖的

3、fcntl函數(shù)格式如表7.1所示。 表7.1 fcntl函數(shù)語法要點 所需頭文件 #include #include #include 函數(shù)原型 int fcnt1(int fd,int cmd,struct flock *lock) 函數(shù)傳入?yún)?shù) fd 文件描述符 cmd（命令）F_DUPFD：復制文件描述符 F_GETFL：得到open設(shè)置的標志 F_SETFL：改變open設(shè)置的標志 F_SETLK：設(shè)置lock描述的文件鎖 F_SETLKW：這是F_SETLK的阻塞版本 F_GETLK：獲取上鎖狀態(tài)。 lock 設(shè)置鎖參數(shù) 函數(shù)返回值 成功：0 出錯：1 這里，lock的結(jié)構(gòu)如下所示：

4、 struct flock short l_type; off_t l_start; short l_whence; off_t l_len; pid_t l_pid; lock結(jié)構(gòu)中每個變量的取值含義如表7.2所示。表7.2 lock結(jié)構(gòu)變量取值 l_type F_RDLCK：讀取鎖（共享鎖） F_WRLCK：寫入鎖（排斥鎖） F_UNLCK：解鎖 l_stat 相對位移量（字節(jié)） l_whence：相對位移量的起點 SEEK_SET：當前位置為文件的開頭，新位置為偏移量的大小。 SEEK_CUR：當前位置為文件指針的位置，新位置為當前位置加上偏移量。 SEEK_END：當前位置為文件的結(jié)尾

5、，新位置為文件的大小加上偏移量的大小。 l_len 加鎖區(qū)域的長度。 說明 為加鎖整個文件，通常的方法是將l_start =0，l_whence=SEEK_SET，l_len=0。 3、實驗內(nèi)容 編程實現(xiàn)使用fcntl 函數(shù)為文件上鎖的程序。首先創(chuàng)建了一個hello文件，之后對其上寫入鎖，最后釋放寫入鎖。 編程步驟如下： 1）首先對flock結(jié)構(gòu)體的對應位賦予相應的值。 2）接著調(diào)用fcntl函數(shù)判斷文件是否可以上鎖，如果可以，則對其上寫入鎖（F_SETLKW）；如果已有鎖存在，則打印鎖類型及上鎖進程號，并為其上阻塞性寫文件鎖（F_SETLKW）。 四、實驗步驟1、新建一個子目錄。 cd /h

6、ome mkdir exp5 cd exp5 2、編寫實現(xiàn)上述功能的程序代碼 編輯上鎖子函數(shù)：vi lock_set.c 啟動vi，然后，按i進入插入狀態(tài)，并輸入源程序。最后，按ESC返回到底行模式，并按：wq存盤退出。 編輯寫鎖測試主程序：vi write_lock.c啟動vi，然后，按i進入插入狀態(tài)，并輸入源程序。最后，按ESC返回到底行模式，并按：wq存盤退出。 3、編譯、調(diào)試上述程序。 gcc write_lock.c o write_lock 4、在PC機端開啟兩個終端，并且在兩個終端上同時運行該程序，以達到多個進程操作一個文件的效果。 新建第一個終端：桌面點右鍵選擇“新建一個終端”

7、 運行write_lock：./ write_lock （第一個終端對hello文件加寫鎖） 新建第二個終端：桌面點右鍵選擇“新建一個終端” 運行write_lock：./ write_lock （第二個終端對hello文件加寫鎖，由于第一個寫鎖還未退出，所以該寫鎖被阻塞） 在第一個終端按任意鍵，進行文件解鎖。 觀察第二個終端，加鎖成功。 5、觀察實驗結(jié)果。 首先在終端一上運行./write_lock，然后新建另一個終端并運行./write_lock，由于第一個終端上已經(jīng)給文件hello上鎖了，所以第二個終端程序不能對文件hello上鎖而被阻塞。 在第一個終端上，按任意鍵，使其釋放寫文件鎖。此

8、時，觀察終端二可以發(fā)現(xiàn)，終端二上的加鎖程序完成了加鎖任務(wù)。 五、實驗程序清單1、實現(xiàn)文件加鎖的子程序/* lock_set.c */ int lock_set(int fd, int type) struct flock old_lock, lock; lock.l_whence = SEEK_SET; lock.l_start = 0; lock.l_len = 0; lock.l_type = type; lock.l_pid = -1; /* 判斷文件是否可以上鎖 */ fcntl(fd, F_GETLK, &lock); if (lock.l_type != F_UNLCK) /* 判

9、斷文件不能上鎖的原因 */ if (lock.l_type = F_RDLCK) /* 該文件已有讀取鎖 */ printf(Read lock already set by %dn, lock.l_pid); else if (lock.l_type = F_WRLCK) /* 該文件已有寫入鎖 */ printf(Write lock already set by %dn, lock.l_pid); /* l_type 可能已被F_GETLK修改過 */ lock.l_type = type; /* 根據(jù)不同的type值進行阻塞式上鎖或解鎖 */ if (fcntl(fd, F_SETLK

10、W, &lock) 0) printf(Lock failed:type = %dn, lock.l_type); return 1; switch(lock.l_type) case F_RDLCK: printf(Read lock set by %dn, getpid(); break; case F_WRLCK: printf(Write lock set by %dn, getpid(); break; case F_UNLCK: printf(Release lock by %dn, getpid(); return 1; break; default: break; /* end

11、 of switch */ return 0; 2、測試用主程序/* write_lock.c */ #include #include #include #include #include #include #include #include lock_set.c int main(void) int fd; /* 首先打開文件 */ fd = open(hello, O_RDWR | O_CREAT, 0644); if(fd 0) printf(Open file errorn); exit(1); /* 給文件上寫入鎖 */ lock_set(fd, F_WRLCK); getchar

12、(); /* 給文件解鎖 */ lock_set(fd, F_UNLCK); getchar(); close(fd); return 0; 第二部分： Linux下的多線程程序設(shè)計一、實驗目的 1、 通過編寫經(jīng)典的“生產(chǎn)者消費者”問題，進一步熟悉Linux 中多線程編程 2、 掌握用信號量處理線程間的同步互斥的方法。 二、實驗設(shè)備裝有RedHat EnterpriseLinux操作系統(tǒng)的PC機三、實驗內(nèi)容“生產(chǎn)者消費者”問題描述如下： 有一個有限緩沖區(qū)和兩個線程：生產(chǎn)者和消費者。他們分別把產(chǎn)品放入緩沖區(qū)和從緩沖區(qū)中拿走產(chǎn)品。生產(chǎn)者在緩沖區(qū)滿時必須等待，消費者在緩沖區(qū)空時必須等待。同時，要求生

13、產(chǎn)者和消費者不能同時訪問緩沖區(qū)。它們之間的關(guān)系如圖1所示： 圖1 生產(chǎn)者消費者問題描述這里要求用有名管道來模擬有限緩沖區(qū)，用信號量來解決生產(chǎn)者消費者問題中的同步和互斥問題。1、信號量的考慮可以使用3個信號量，其中兩個信號量avail和full分別用于解決生產(chǎn)者和消費者線程之間的同步問題，mutex是用于這兩個線程之間的互斥問題。其中avail初始化為N（有界緩沖區(qū)的空單元數(shù)），mutex 初始化為1，full初始化為0。2、流程圖“生產(chǎn)者消費者”問題的流程流程圖如圖2所示。3、編寫代碼實驗代碼中采用的有界緩沖區(qū)擁有3個單元，每個單元為5個字節(jié)。為了盡量體現(xiàn)每個信號量的意義，在程序中生產(chǎn)過程和消

14、費過程隨機（采取0-5s的隨機時間間隔）進行的，而且生產(chǎn)者的速度比消費者的速度平均快兩倍左右。生產(chǎn)者一次生產(chǎn)一個產(chǎn)品（向緩沖區(qū)中放入“hello”字符串），消費者一次消費一個產(chǎn)品。四、實驗步驟1、新建目錄存放所設(shè)計的程序。cd /homemkdir exp8cd exp82、編寫“生產(chǎn)者消費者”問題的程序。輸入命令 vi producer-customer.c 啟動vi，然后，按i進入插入狀態(tài)，并輸入源程序。最后，按ESC返回到底行模式，并按：wq存盤退出。3、編譯、調(diào)試上述程序。gcc producer-customer.c o producer-customer lpthread4、新建一

15、個終端：桌面點右鍵選擇“新建一個終端”運行 ./producer-customer5、觀察實驗結(jié)果。圖2. “生產(chǎn)者消費者”問題的流程流程圖五、參考程序清單/*producer-customer.c*/ #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #define MYFIFO myfifo /* 緩沖區(qū)有名管道的名字 */#define BUFFER_SIZE 3 /* 緩沖區(qū)的單元數(shù) */#define UNIT_SIZE 5 /* 每個單元的大小 */#d

16、efine RUN_TIME 30 /* 運行時間 */#define DELAY_TIME_LEVELS 5.0 /* 周期的最大值 */int fd;time_t end_time;sem_t mutex, full, avail; /* 三個信號量 */*生產(chǎn)者線程*/void *producer(void *arg)int real_write;int delay_time = 0;while(time(NULL) end_time)delay_time = (int)(rand() * DELAY_TIME_LEVELS/(RAND_MAX) / 2.0) + 1;sleep(del

17、ay_time);/*P操作信號量avail和mutex*/sem_wait(&avail);sem_wait(&mutex);printf(nProducer: delay = %dn, delay_time);/*生產(chǎn)者寫入數(shù)據(jù)*/if (real_write = write(fd, hello, UNIT_SIZE) = -1)if(errno = EAGAIN)printf(The FIFO has not been read yet.Please try latern);elseprintf(Write %d to the FIFOn, real_write); /*V操作信號量fu

18、ll和mutex*/sem_post(&full);sem_post(&mutex);pthread_exit(NULL);/* 消費者線程*/void *customer(void *arg)unsigned char read_bufferUNIT_SIZE;int real_read;int delay_time;while(time(NULL) end_time)delay_time = (int)(rand() * DELAY_TIME_LEVELS/(RAND_MAX) + 1;sleep(delay_time);/*P操作信號量full和mutex*/sem_wait(&full

19、);sem_wait(&mutex);memset(read_buffer, 0, UNIT_SIZE);printf(nCustomer: delay = %dn, delay_time);if (real_read = read(fd, read_buffer, UNIT_SIZE) = -1)if (errno = EAGAIN)printf(No data yetn);printf(Read %s from FIFOn, read_buffer);/*V操作信號量avail和mutex*/sem_post(&avail);sem_post(&mutex);pthread_exit(NU

20、LL);int main()pthread_t thrd_prd_id,thrd_cst_id;pthread_t mon_th_id; int ret;srand(time(NULL);end_time = time(NULL) + RUN_TIME;/*創(chuàng)建有名管道*/if(mkfifo(MYFIFO, 0777)0)&(errno!=EEXIST)printf(Cannot create fifon);return errno;/*打開管道*/fd = open(MYFIFO, O_RDWR);if (fd = -1)printf(Open fifo errorn);return fd;

21、/*初始化互斥信號量為1*/ret = sem_init(&mutex, 0, 1);/*初始化avail信號量為N*/ret += sem_init(&avail, 0, BUFFER_SIZE);/*初始化full信號量為0*/ret += sem_init(&full, 0, 0);if (ret != 0)printf(Any semaphore initialization failedn);return ret;/*創(chuàng)建兩個線程*/ret = pthread_create(&thrd_prd_id, NULL, producer, NULL);if (ret != 0)printf(Create producer thread errorn);return ret;ret = pthread_create(&thrd_cst_id, NULL, customer, NULL);if(ret != 0)printf(Create customer thread err