《嵌入式操作系统》实验教学大纲：实验四-Linux进程及文件操作程序设计.doc

实验四：Linux进程及文件操作程序设计第一部分 Linux下文件控制程序设计一、实验目的 1. 熟悉Linux下文件控制程序设计方法。 2. 掌握利用文件锁实现文件互斥访问程序设计方法。 二、实验设备装有RedHat EnterpriseLinux操作系统的PC机三、实验内容1、预备知识 当多个用户共同使用、操作一个文件时，Linux 通常采用的方法是给文件上锁，来避免共享的资源产生竞争的状态。文件锁包括建议性锁和强制性锁。建议性锁要求每个上锁文件的进程都要检查是否有锁存在，并且尊重已有的锁。在一般情况下，内核和系统都不使用建议性锁。强制性锁是由内核执行的锁，当一个文件被上锁进行写入操作的时候，内核将阻止其他任何文件对其进行读写操作。采用强制性锁对性能的影响很大，每次读写操作都必须检查是否有锁存在。 在Linux 中，实现文件上锁的函数有flock和fcntl，其中flock用于对文件施加建议性锁，而fcntl不仅可以施加建议性锁，还可以施加强制锁。同时，fcntl还能对文件的某一记录进行上锁，也就是记录锁。 记录锁又可分为读取锁和写入锁，其中读取锁又称为共享锁，它能够使多个进程都能在文件的同一部分建立读取锁。而写入锁又称为排斥锁，在任何时刻只能有一个进程在文件的某个部分上建立写入锁。当然，在文件的同一部分不能同时建立读取锁和写入锁。 2、fcntl（）函数格式 用于建立记录锁的fcntl函数格式如表7.1所示。 表7.1 fcntl函数语法要点 所需头文件 #include #include #include 函数原型 int fcnt1(int fd,int cmd,struct flock *lock) 函数传入参数 fd 文件描述符 cmd（命令）F_DUPFD：复制文件描述符 F_GETFL：得到open设置的标志 F_SETFL：改变open设置的标志 F_SETLK：设置lock描述的文件锁 F_SETLKW：这是F_SETLK的阻塞版本 F_GETLK：获取上锁状态。 lock 设置锁参数 函数返回值 成功：0 出错：1 这里，lock的结构如下所示： struct flock short l_type; off_t l_start; short l_whence; off_t l_len; pid_t l_pid; lock结构中每个变量的取值含义如表7.2所示。表7.2 lock结构变量取值 l_type F_RDLCK：读取锁（共享锁） F_WRLCK：写入锁（排斥锁） F_UNLCK：解锁 l_stat 相对位移量（字节） l_whence：相对位移量的起点 SEEK_SET：当前位置为文件的开头，新位置为偏移量的大小。 SEEK_CUR：当前位置为文件指针的位置，新位置为当前位置加上偏移量。 SEEK_END：当前位置为文件的结尾，新位置为文件的大小加上偏移量的大小。 l_len 加锁区域的长度。 说明 为加锁整个文件，通常的方法是将l_start =0，l_whence=SEEK_SET，l_len=0。 3、实验内容 编程实现使用fcntl 函数为文件上锁的程序。首先创建了一个hello文件，之后对其上写入锁，最后释放写入锁。 编程步骤如下： 1）首先对flock结构体的对应位赋予相应的值。 2）接着调用fcntl函数判断文件是否可以上锁，如果可以，则对其上写入锁（F_SETLKW）；如果已有锁存在，则打印锁类型及上锁进程号，并为其上阻塞性写文件锁（F_SETLKW）。 四、实验步骤1、新建一个子目录。 cd /home mkdir exp5 cd exp5 2、编写实现上述功能的程序代码 编辑上锁子函数：vi lock_set.c 启动vi，然后，按i进入插入状态，并输入源程序。最后，按ESC返回到底行模式，并按：wq存盘退出。 编辑写锁测试主程序：vi write_lock.c启动vi，然后，按i进入插入状态，并输入源程序。最后，按ESC返回到底行模式，并按：wq存盘退出。 3、编译、调试上述程序。 gcc write_lock.c o write_lock 4、在PC机端开启两个终端，并且在两个终端上同时运行该程序，以达到多个进程操作一个文件的效果。 新建第一个终端：桌面点右键选择“新建一个终端” 运行write_lock：./ write_lock （第一个终端对hello文件加写锁） 新建第二个终端：桌面点右键选择“新建一个终端” 运行write_lock：./ write_lock （第二个终端对hello文件加写锁，由于第一个写锁还未退出，所以该写锁被阻塞） 在第一个终端按任意键，进行文件解锁。 观察第二个终端，加锁成功。 5、观察实验结果。 首先在终端一上运行./write_lock，然后新建另一个终端并运行./write_lock，由于第一个终端上已经给文件hello上锁了，所以第二个终端程序不能对文件hello上锁而被阻塞。 在第一个终端上，按任意键，使其释放写文件锁。此时，观察终端二可以发现，终端二上的加锁程序完成了加锁任务。 五、实验程序清单1、实现文件加锁的子程序/* 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; /* 判断文件是否可以上锁 */ fcntl(fd, F_GETLK, &lock); if (lock.l_type != F_UNLCK) /* 判断文件不能上锁的原因 */ if (lock.l_type = F_RDLCK) /* 该文件已有读取锁 */ printf(Read lock already set by %dn, lock.l_pid); else if (lock.l_type = F_WRLCK) /* 该文件已有写入锁 */ printf(Write lock already set by %dn, lock.l_pid); /* l_type 可能已被F_GETLK修改过 */ lock.l_type = type; /* 根据不同的type值进行阻塞式上锁或解锁 */ if (fcntl(fd, F_SETLKW, &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 of switch */ return 0; 2、测试用主程序/* write_lock.c */ #include #include #include #include #include #include #include #include lock_set.c int main(void) int fd; /* 首先打开文件 */ fd = open(hello, O_RDWR | O_CREAT, 0644); if(fd 0) printf(Open file errorn); exit(1); /* 给文件上写入锁 */ lock_set(fd, F_WRLCK); getchar(); /* 给文件解锁 */ lock_set(fd, F_UNLCK); getchar(); close(fd); return 0; 第二部分： Linux下的多线程程序设计一、实验目的 1、 通过编写经典的“生产者消费者”问题，进一步熟悉Linux 中多线程编程 2、 掌握用信号量处理线程间的同步互斥的方法。 二、实验设备装有RedHat EnterpriseLinux操作系统的PC机三、实验内容“生产者消费者”问题描述如下： 有一个有限缓冲区和两个线程：生产者和消费者。他们分别把产品放入缓冲区和从缓冲区中拿走产品。生产者在缓冲区满时必须等待，消费者在缓冲区空时必须等待。同时，要求生产者和消费者不能同时访问缓冲区。它们之间的关系如图1所示： 图1 生产者消费者问题描述这里要求用有名管道来模拟有限缓冲区，用信号量来解决生产者消费者问题中的同步和互斥问题。1、信号量的考虑可以使用3个信号量，其中两个信号量avail和full分别用于解决生产者和消费者线程之间的同步问题，mutex是用于这两个线程之间的互斥问题。其中avail初始化为N（有界缓冲区的空单元数），mutex 初始化为1，full初始化为0。2、流程图“生产者消费者”问题的流程流程图如图2所示。3、编写代码实验代码中采用的有界缓冲区拥有3个单元，每个单元为5个字节。为了尽量体现每个信号量的意义，在程序中生产过程和消费过程随机（采取0-5s的随机时间间隔）进行的，而且生产者的速度比消费者的速度平均快两倍左右。生产者一次生产一个产品（向缓冲区中放入“hello”字符串），消费者一次消费一个产品。四、实验步骤1、新建目录存放所设计的程序。cd /homemkdir exp8cd exp82、编写“生产者消费者”问题的程序。输入命令 vi producer-customer.c 启动vi，然后，按i进入插入状态，并输入源程序。最后，按ESC返回到底行模式，并按：wq存盘退出。3、编译、调试上述程序。gcc producer-customer.c o producer-customer lpthread4、新建一个终端：桌面点右键选择“新建一个终端”运行 ./producer-customer5、观察实验结果。图2. “生产者消费者”问题的流程流程图五、参考程序清单/*producer-customer.c*/ #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #define MYFIFO myfifo /* 缓冲区有名管道的名字 */#define BUFFER_SIZE 3 /* 缓冲区的单元数 */#define UNIT_SIZE 5 /* 每个单元的大小 */#define RUN_TIME 30 /* 运行时间 */#define DELAY_TIME_LEVELS 5.0 /* 周期的最大值 */int fd;time_t end_time;sem_t mutex, full, avail; /* 三个信号量 */*生产者线程*/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(delay_time);/*P操作信号量avail和mutex*/sem_wait(&avail);sem_wait(&mutex);printf(nProducer: delay = %dn, delay_time);/*生产者写入数据*/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操作信号量full和mutex*/sem_post(&full);sem_post(&mutex);pthread_exit(NULL);/* 消费者线程*/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操作信号量full和mutex*/sem_wait(&full);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操作信号量avail和mutex*/sem_post(&avail);sem_post(&mutex);pthread_exit(NULL);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;/*创建有名管道*/if(mkfifo(MYFIFO, 0777)0)&(errno!=EEXIST)printf(Cannot create fifon);return errno;/*打开管道*/fd = open(MYFIFO, O_RDWR);if (fd = -1)printf(Open fifo errorn);return fd;/*初始化互斥信号量为1*/ret = sem_init(&mutex, 0, 1);/*初始化avail信号量为N*/ret += sem_init(&avail, 0, BUFFER_SIZE);/*初始化full信号量为0*/ret += sem_init(&full, 0, 0);if (ret != 0)printf(Any semaphore initialization failedn);return ret;/*创建两个线程*/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 errorn);return ret;pthread_join(thrd_prd_id, NULL);pthread_join(thrd_cst_id, NULL);close(fd);unlink(MYFIFO);return 0;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 of switch */ return 0; 2、测试用主程序/* write_lock.c */ #include #include #include #include #include #include #include #include lock_set.c int main(void) int fd; /* 首先打开文件 */ fd = open(hello, O_RDWR | O_CREAT, 0644); if(fd 0) printf(Open file errorn); exit(1); /* 给文件上写入锁 */ lock_set(fd, F_WRLCK); getchar(); /* 给文件解锁 */ lock_set(fd, F_UNLCK); getchar(); close(fd); return 0;