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1．實驗目的
通(tong)過編(bian)寫文(wen)件讀寫及上(shang)鎖(suo)的程序，進一步(bu)熟(shu)悉Linux中文(wen)件I/O相關的應用開發，并且熟(shu)練掌握open()、read()、write()、fcntl()等函數(shu)的使用。
2．實驗(yan)內容
在Linux中FIFO是一(yi)種進程間的(de)管道通(tong)信機制(zhi)，Linux支持完(wan)整的(de)FIFO通(tong)信機制(zhi)。
本(ben)實驗內容比(bi)較(jiao)有趣，我們通(tong)過使用文件操作，仿真FIFO（先(xian)進先(xian)出）結(jie)構及生產者—消費(fei)者運行模型(xing)。
本實驗中需要打開(kai)兩個(ge)虛(xu)擬終端，分別運行生產(chan)者(zhe)程(cheng)序(xu)（producer）和消(xiao)費者(zhe)程(cheng)序(xu)（customer），此(ci)時兩個(ge)進程(cheng)同(tong)時對同(tong)一個(ge)文件(jian)(jian)進行讀寫操作。因為這(zhe)個(ge)文件(jian)(jian)是(shi)臨界資(zi)源(yuan)，所(suo)以可以使用文件(jian)(jian)鎖機制(zhi)來保(bao)證(zheng)兩個(ge)進程(cheng)對文件(jian)(jian)的訪問(wen)都(dou)是(shi)原子操作。
先(xian)啟動生(sheng)(sheng)產(chan)者(zhe)進程(cheng)，它負責創建(jian)仿真FIFO結構的文(wen)件(jian)（其實是(shi)一個普通文(wen)件(jian)）并投入生(sheng)(sheng)產(chan)，就是(shi)按(an)照(zhao)給定(ding)的時(shi)間間隔，向FIFO文(wen)件(jian)寫入自動生(sheng)(sheng)成的字(zi)(zi)符（在(zai)程(cheng)序(xu)中用(yong)宏定(ding)義選擇使用(yong)數字(zi)(zi)還是(shi)使用(yong)英文(wen)字(zi)(zi)符），生(sheng)(sheng)產(chan)周期(qi)及要(yao)生(sheng)(sheng)產(chan)的資(zi)源(yuan)數通過參數傳遞(di)給進程(cheng)（默認(ren)生(sheng)(sheng)產(chan)周期(qi)為(wei)1s，要(yao)生(sheng)(sheng)產(chan)的資(zi)源(yuan)總數為(wei)10個字(zi)(zi)符，顯然默認(ren)生(sheng)(sheng)產(chan)總時(shi)間為(wei)10s）。
后啟動的(de)消(xiao)費(fei)者進(jin)程按照給定的(de)數(shu)目進(jin)行消(xiao)費(fei)，首先從(cong)(cong)文(wen)件(jian)中讀(du)取相應(ying)數(shu)目的(de)字(zi)符并(bing)在屏(ping)幕上顯示，然后從(cong)(cong)文(wen)件(jian)中刪(shan)除剛才消(xiao)費(fei)過(guo)的(de)數(shu)據。為(wei)了仿真FIFO結構(gou)，此時需要使用兩次(ci)(ci)復制(zhi)來實現文(wen)件(jian)內容(rong)的(de)偏移(yi)。每次(ci)(ci)消(xiao)費(fei)的(de)資源(yuan)數(shu)通過(guo)參數(shu)傳遞給進(jin)程，默認值為(wei)10個(ge)字(zi)符。
3．實驗步驟
（1）畫出實驗流(liu)程圖(tu)。
本實驗的兩個程(cheng)序的流(liu)程(cheng)圖如圖2.5所示(shi)。
圖(tu)2.5 文件讀寫及上鎖實驗流程圖(tu)
（2）編(bian)寫代碼(ma)。
本實驗(yan)中的(de)生產者(zhe)程序(xu)的(de)源代碼如下所示(shi)，其中用(yong)到(dao)的(de)lock_set()函數可參見后(hou)面章節。
/* producer.c */
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include "mylock.h"
#define MAXLEN 10 /* 緩沖區大小大值 */
#define ALPHABET 1 /* 表示使用英文字符 */
#define ALPHABET_START 'a' /* 頭一個字符，可以用 'A' */
#define COUNT_OF_ALPHABET 26 /* 字母字符的個數 */
#define DIGIT 2 /* 表示使用數字字符 */
#define DIGIT_START '0' /* 頭一個字符 */
#define COUNT_OF_DIGIT 10 /* 數字字符的個數 */
#define SIGN_TYPE ALPHABET /* 本實例選用英文字符 */
const char *fifo_file = "./myfifo";/* 仿真FIFO文件名 */
char buff[MAXLEN]; /* 緩沖區 */
/* 功能：生產一個字符并寫入到仿真FIFO文件中 */
int product(void)
{
int fd;
unsigned int sign_type, sign_start, sign_count, size;
static unsigned int counter = 0;
/* 打開仿真FIFO文件 */
if ((fd = open(fifo_file, O_CREAT|O_RDWR|O_APPEND, 0644)) < 0)
{
printf("Open fifo file error\n");
exit(1);
}
sign_type = SIGN_TYPE;
switch(sign_type)
{
case ALPHABET:/* 英文字符 */
{
sign_start = ALPHABET_START;
sign_count = COUNT_OF_ALPHABET;
}
break;
case DIGIT:/* 數字字符 */
{
sign_start = DIGIT_START;
sign_count = COUNT_OF_DIGIT;
}
break;
default:
{
return -1;
}
}/*end of switch*/
sprintf(buff, "%c", (sign_start + counter));
counter = (counter + 1) % sign_count;
lock_set(fd, F_WRLCK); /* 上寫鎖 */
if ((size = write(fd, buff, strlen(buff))) < 0)
{
printf("Producer: write error\n");
return -1;
}
lock_set(fd, F_UNLCK); /* 解鎖 */
close(fd);
return 0;
}
int main(int argc ,char *argv[])
{
int time_step = 1; /* 生產周期 */
int time_life = 10; /* 需要生產的資源總數 */
if (argc > 1)
{/* 第一個參數表示生產周期 */
sscanf(argv[1], "%d", &time_step);
}
if (argc > 2)
{/* 第二個參數表示需要生產的資源數 */
sscanf(argv[2], "%d", &time_life);
}
while (time_life--)
{
if (product() < 0)
{
break;
}
sleep(time_step);
}
exit(EXIT_SUCCESS);
}
本(ben)實驗中的消費者程序(xu)的源代碼如下所示：
/* customer.c */
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#define MAX_FILE_SIZE 100 * 1024 * 1024 /* 100M */
const char *fifo_file = "./myfifo"; /* 仿真FIFO文件名 */
const char *tmp_file = "./tmp"; /* 臨時文件名 */
/* 資源消費函數 */
int customing(const char *myfifo, int need)
{
int fd;
char buff;
int counter = 0;
if ((fd = open(myfifo, O_RDONLY)) < 0)
{
printf("Function customing error\n");
return -1;
}
printf("Enjoy:");
lseek(fd, SEEK_SET, 0);
while (counter < need)
{
while ((read(fd, &buff, 1) == 1) && (counter < need))
{
fputc(buff, stdout); /* 消費就是在屏幕上簡單的顯示 */
counter++;
}
}
fputs("\n", stdout);
close(fd);
return 0;
}
/* 功能:從sour_file文件的offset偏移處開始，
將count字節數據復制到dest_file文件 */
int myfilecopy(const char *sour_file,
const char *dest_file, int offset, int count, int copy_mode)
{
int in_file, out_file;
int counter = 0;
char buff_unit;
if ((in_file = open(sour_file, O_RDONLY|O_NONBLOCK)) < 0)
{
printf("Function myfilecopy error in source file\n");
return -1;
}
if ((out_file = open(dest_file, O_CREAT|O_RDWR|O_TRUNC|O_NONBLOCK, 0644)) < 0)
{
printf("Function myfilecopy error in destination file:");
return -1;
}
lseek(in_file, offset, SEEK_SET);
while ((read(in_file, &buff_unit, 1) == 1) && (counter < count))
{
write(out_file, &buff_unit, 1);
counter++;
}
close(in_file);
close(out_file);
return 0;
}
/* 功能：實現FIFO消費者 */
int custom(int need)
{
int fd;
/* 對資源進行消費，need表示該消費的資源數目 */
customing(fifo_file, need);
if ((fd = open(fifo_file, O_RDWR)) < 0)
{
printf("Function myfilecopy error in source_file:");
return -1;
}
/* 為了模擬FIFO結構，對整個文件內容進行平行移動 */
lock_set(fd, F_WRLCK);
myfilecopy(fifo_file, tmp_file, need, MAX_FILE_SIZE, 0);
myfilecopy(tmp_file, fifo_file, 0, MAX_FILE_SIZE, 0);
lock_set(fd, F_UNLCK);
unlink(tmp_file);
close(fd);
return 0;
}
int main(int argc ,char *argv[])
{
int customer_capacity = 10;
if (argc > 1) /* 第一個參數指定需要消費的資源數目，默認值為10 */
{
sscanf(argv[1], "%d", &customer_capacity);
}
if (customer_capacity > 0)
{
custom(customer_capacity);
}
exit(EXIT_SUCCESS);
}
（3）先在宿(su)主機上(shang)編譯該程序，如下所示：
$ make clean; make
（4）在確保沒有編譯錯誤后，交叉編譯該程序，此時需(xu)要修改Makefile中的變量。
CC = arm-linux-gcc /* 修改Makefile中的編譯器 */
$ make clean; make
（5）將生成的(de)可執行(xing)程序下載到目標板(ban)上運(yun)行(xing)。
4．實(shi)驗結(jie)果
此實驗(yan)在目標板上的運行(xing)結(jie)果如下所(suo)示(shi)。實驗(yan)結(jie)果會和這(zhe)兩個(ge)進程(cheng)(cheng)運行(xing)的具(ju)體過程(cheng)(cheng)相關，希望讀者能具(ju)體分析每種(zhong)情(qing)況(kuang)，下面列出其中(zhong)一種(zhong)情(qing)況(kuang)。
終端一：
$ ./producer 1 20 /* 生產周期為1s，需要生產的資源總數為20個 */
Write lock set by 21867
Release lock by 21867
Write lock set by 21867
Release lock by 21867
…
終(zhong)端二(er)：
$ ./customer 5 /* 需要消費的資源數為5個 */
Enjoy:abcde /* 對資源進行消費，即打印到屏幕上 */
Write lock set by 21872 /* 為了仿真FIFO結構，進行兩次復制 */
Release lock by 21872
在(zai)兩個(ge)進(jin)程結束后，仿(fang)真FIFO文件的(de)內容如下：
$ cat myfifo
fghijklmnopqr /* a到(dao)e的5個字符(fu)已經被消費，就剩下后面15個字符(fu) */
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