本文是2020年广州大学Linux操作系统实验指导书中的实验二,由于实验指导书是Word文档,代码格式显示很乱,不管是看起来还是复制都很不和谐。本文改善了实验指导书的体验,对代码格式以及文字段落等都做了优化,让你可以专注于做实验本身,提高实验效率。

实验二的实验教程已经写完,不一定对,但应该有参考价值,仅供参考(点击下方链接即可查看)。


目录

一、实验目的

二、实验内容

三、实验指导

四、思考题

一、实验目的

1、了解什么是管道

2、熟悉UNIX/LINUX支持的管道通信方式

3、理解内核模块的编写和装载方法

二、实验内容

1、编写程序实现进程的管道通信。用系统调用pipe()建立一管道,二个子进程P1和P2分别向管道各写一句话:

Child 1 is sending a message!
Child 2 is sending a message!

父进程从管道中读出二个来自子进程的信息并显示(要求先接收P1,后P2)。

2、编写一个HelloWorld内核模块,并进行装载和卸载操作

三、实验指导

(一)管道通信

(二)内核模块的编写

(一)管道通信

1、什么是管道

UNIX系统在OS的发展上,最重要的贡献之一便是该系统首创了管道(pipe)。这也是UNIX系统的一大特色。

所谓管道,是指能够连接一个写进程和一个读进程的、并允许它们以生产者—消费者方式进行通信的一个共享文件,又称为pipe文件。由写进程从管道的写入端(句柄1)将数据写入管道,而读进程则从管道的读出端(句柄0)读出数据。

2、管道的类型:
(1)有名管道

一个可以在文件系统中长期存在的、具有路径名的文件。用系统调用mknod()建立。它克服无名管道使用上的局限性,可让更多的进程也能利用管道进行通信。因而其它进程可以知道它的存在,并能利用路径名来访问该文件。对有名管道的访问方式与访问其他文件一样,需先用open()打开。

(2)无名管道

一个临时文件。利用pipe()建立起来的无名文件(无路径名)。只用该系统调用所返回的文件描述符来标识该文件,故只有调用pipe()的进程及其子孙进程才能识别此文件描述符,才能利用该文件(管道)进行通信。当这些进程不再使用此管道时,核心收回其索引结点。

两种管道的读写方式是相同的,本文只讲无名管道。

(3)pipe文件的建立

分配磁盘和内存索引结点、为读进程分配文件表项、为写进程分配文件表项、分配用户文件描述符

(4)读/写进程互斥

内核为地址设置一个读指针和一个写指针,按先进先出顺序读、写。

为使读、写进程互斥地访问pipe文件,需使各进程互斥地访问pipe文件索引结点中的直接地址项。因此,每次进程在访问pipe文件前,都需检查该索引文件是否已被上锁。若是,进程便睡眠等待,否则,将其上锁,进行读/写。操作结束后解锁,并唤醒因该索引结点上锁而睡眠的进程。

3、所涉及的系统调用
(1)pipe()

功能

建立一无名管道。

系统调用格式

pipe(filedes)

参数定义

int pipe(filedes);
int filedes[2];

其中,filedes[1]是写入端,filedes[0]是读出端。

该函数使用头文件如下:

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#include <unistd.h>
#inlcude <signal.h>
#include <stdio.h>
(2)read()

系统调用格式

read(fd,buf,nbyte)

功能

从fd所指示的文件中读出nbyte个字节的数据,并将它们送至由指针buf所指示的缓冲区中。如该文件被加锁,等待,直到锁打开为止。

参数定义

int read(fd,buf,nbyte);
int fd;
char buf;
unsigned nbyte;

(3)write()

系统调用格式

read(fd,buf,nbyte)

功能

把nbyte 个字节的数据,从buf所指向的缓冲区写到由fd所指向的文件中。如文件加锁,暂停写入,直至开锁。

参数定义

同read()。

四、参考程序
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#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <stdio.h>
int pid1,pid2;

main(){
int fd[2];
char outpipe[100],inpipe[100];
pipe(fd); /创建一个管道/
while ((pid1=fork()) == -1);
if(pid1 == 0){
lockf(fd[1],1,0);
sprintf(outpipe,"child 1 process is sending message!");
/
把串放入数组outpipe中/
write(fd[1],outpipe,50); /
向管道写长为50字节的串/
sleep(5); /
自我阻塞5秒/
lockf(fd[1],0,0);
exit(0);
} else {
while((pid2=fork()) == -1);
if(pid2 == 0) {
lockf(fd[1],1,0); /
互斥/
sprintf(outpipe,"child 2 process is sending message!");
write(fd[1],outpipe,50);
sleep(5);
lockf(fd[1],0,0);
exit(0);
} else {
wait(0); /
同步/
read(fd[0],inpipe,50); /
从管道中读长为50字节的串*/
printf("%s\n",inpipe);
wait(0);
read(fd[0],inpipe,50);
printf("%s\n",inpipe);
exit(0);
}
}
}
4、运行结果

延迟5秒后显示

child 1 process is sending message!

再延迟5秒

child 2 process is sending message!

(二)内核模块的编写

1、认识内核模块

内核模块是linux内核向外部提供的一个插口,是内核的一部分,但是并没有被编译到内核里面去,其全称为动态可加载内核模块(Loadable Kernel Module,LKM),简称模块。

linux内核之所以提供模块机制,是因为它本身是一个单内核。而单内核的最大优点就是效率高,因为所有的内容都集成在一起,但其缺点是可扩展性和可维护性相对较差,模块机制就是为了弥补这一缺陷。

2、模块的定义

模块是具有独立功能的程序,它可以被单独编译,但不能独立运行。它在运行时被链接到内核作为内核的一部分在内核空间运行,这与运行在用户空间的进程是不同的。模块通常由一组函数和数据结构组成,用来实现一种文件系统、一个驱动程序或者其他内核上层的功能。

3、编写简单的内核模块

模块和内核都在内核空间运行,模块编程在一定意义上说就是内核编程。一个内核模块应该至少有两个函数,第一个为module_init(),是模块加载函数,当模块被插入到内核时调用它;第二个为module_exit(),是模块卸载函数,当模块从内核移走时调用它。

(1)任何模块都要包含的三个头文件:
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#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#incldue <linux/init.h>

说明

module.h头文件包含了对模块的版本控制;
kernel.h包含了常用的内核函数;
init.h包含了宏initexit,宏init告诉编译程序相关的函数和变量仅用于初始化,编译程序将标有init的所有代码存储到特殊的内存段中,初始化结束就释放这段内存。

(2)printk()函数

该函数是由内核定义的,功能和C库中的printf()类似,它把要打印的日志输出到终端或系统日志。字符串中的<1>是输出的级别,表示立即在终端输出。

(3)内核模块的Makefile文件

内核模块不是独立的可执行文件,但在运行时其目标文件被链接到内核中。只有超级用户才能加载和卸载模块。Makefile文件的基本内容如下:

obj-m :=这个赋值语句的含义是说明要使用目标文件module_example.o建立一个模块,最后生成的模块名为module_example.ko.o文件是经过编译和汇编,而没有经过链接的中间文件。

注:makefile文件中,若某一行是命令,则它必须以一个Tab键开头。

(4)装载模块

当编译好模块,就可以用insmod命令将新的模块插入到内核中,如:

insmod module_example.ko

然后,可以用lsmod命令查看模块是否正确地插入到了内核中。模块的输出由printk()产生。该函数默认打印系统文件/var/log/messages的内容。

(5)卸载模块

使用rmmod命令加上在insmod中看到的模块名,就可以从内核中移除该模块:

rmmod module_example

四、思考题

1、程序中的sleep(5)起什么作用?

2、子进程1和2为什么也能对管道进行操作?

3、一个内核模块必须具备哪些内容?

最后修改日期:2020年5月14日

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