【Linux基础】综合实验：文件读写及上锁

1.
实验目的
[align=left]通过编写文件读写及上锁的程序，进一步熟悉Linux中文件I/O相关的应用开发，并且熟练掌握open（）、read（）、write（）、fcntl（）等函数的使用。[/align]
2.
实验内容
[align=left]在Linux中FIFO（先进先出）是一种进程间的管道通信机制。本实验通过使用文件操作，仿真FIFO结构以及生产者-消费者运行模型。[/align]
3.
实验步骤
[align=left]（1）流程图[/align]
该实验流程图如图所示



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[align=left]（2）程序说明[/align]
[align=left]本实验需要打开两个虚拟终端，分别运行生产者程序（producer）和消费者程序（customer）。此时两个进程同时对同一个文件进行读写操作。因为这个文件是临界资源，所以可以使用文件锁机制保证两个进程对文件的访问都是原子操作。[/align]
[align=left]先启动生产者进程，它负责创建仿真FIFO结构文件（实际是一个普通文件）并投入生产，就是按照给定的时间间隔，向FIFO文件写入自动生成的字符（在程序中用宏定义选择使用数字还是使用英文字符），生产周期以及要生产的资源数通过参数传递给进程（默认生产周期1S，要生产的资源数为10个字符）。[/align]
[align=left]后启动的消费者进程按照给定的数目进行消费，首先从文件中读取相应数目的字符并在屏幕显示，然后从文件中删除刚才消费过的数据。为了仿真FIFO结构，此时需要使用两次复制来实现文件内容的偏移。每次消费的资源数通过参数传递给进程，默认值为10个字符。[/align]
[align=left][/align]
[align=left]（3）代码[/align]
[align=left]/* lock_set.c */[/align]
[align=left]int lock_set(int fd, int type)[/align]
[align=left]{[/align]
[align=left]struct flock old_lock, lock;[/align]
[align=left]lock.l_whence = SEEK_SET;[/align]
[align=left]lock.l_start = 0;[/align]
[align=left]lock.l_len = 0;[/align]
[align=left]lock.l_type = type;[/align]
[align=left]lock.l_pid = -1;[/align]
[align=left][/align]
/*
判断文件是否可以上锁 */
[align=left]fcntl(fd, F_GETLK, &lock);[/align]
[align=left][/align]
[align=left]if (lock.l_type != F_UNLCK)[/align]
[align=left]{[/align]
/*
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 */
[align=left]{[/align]
[align=left]printf("Read lock already set by %d\n", lock.l_pid);[/align]
[align=left]}[/align]
else if (lock.l_type == F_WRLCK) /*
该文件已有写入锁 */
[align=left]{[/align]
[align=left]printf("Write lock already set by %d\n", lock.l_pid);[/align]
}

[align=left]}[/align]
[align=left][/align]
/* l_type
可能已被F_GETLK修改过 */
[align=left]lock.l_type = type;[/align]
[align=left][/align]
/*
根据不同的type值进行阻塞式上锁或解锁 */
[align=left]if ((fcntl(fd, F_SETLKW, &lock)) < 0)[/align]
[align=left]{[/align]
[align=left]printf("Lock failed:type = %d\n", lock.l_type);[/align]
[align=left]return 1;[/align]
[align=left]}[/align]
[align=left][/align]
[align=left]switch(lock.l_type)[/align]
[align=left]{[/align]
[align=left]case F_RDLCK:[/align]
[align=left]{[/align]
[align=left]printf("Read lock set by %d\n", getpid());[/align]
[align=left]}[/align]
[align=left]break;[/align]
[align=left][/align]
[align=left]case F_WRLCK:[/align]
[align=left]{[/align]
[align=left]printf("Write lock set by %d\n", getpid());[/align]
[align=left]}[/align]
[align=left]break;[/align]
[align=left][/align]
[align=left]case F_UNLCK:[/align]
[align=left]{[/align]
[align=left]printf("Release lock by %d\n", getpid());[/align]
[align=left]return 1;[/align]
[align=left]}[/align]
[align=left]break;[/align]
[align=left][/align]
[align=left]default:[/align]
[align=left]break;[/align]
[align=left]}/* end of switch */[/align]
[align=left][/align]
[align=left]return 0;[/align]
[align=left]}[/align]
[align=left][/align]
[align=left]本实验中的生产者程序的源代码如下所示，其中用到的lock_set()函数。[/align]
[align=left]/* producer.c */[/align]
[align=left][/align]
[align=left]#include <stdio.h>[/align]
[align=left]#include <unistd.h>[/align]
[align=left]#include <stdlib.h>[/align]
[align=left]#include <string.h>[/align]
[align=left]#include <fcntl.h>[/align]
[align=left]#include "mylock.h"[/align]
[align=left][/align]
#define MAXLEN 10 /*
缓冲区大小最大值*/
[align=left][/align]
#define ALPHABET 1 /*
表示使用英文字符 */
#define ALPHABET_START 'a' /*
头一个字符，可以用 'A'*/
#define COUNT_OF_ALPHABET 26 /*
字母字符的个数 */
[align=left][/align]
#define DIGIT 2 /*
表示使用数字字符 */
#define DIGIT_START '0' /*
头一个字符 */
#define COUNT_OF_DIGIT 10 /*
数字字符的个数 */
[align=left][/align]
#define SIGN_TYPE ALPHABET /*
本实例选用英文字符 */
[align=left][/align]
const char *fifo_file = "./myfifo"; /*
仿真FIFO文件名 */
[align=left][/align]
char buff[MAXLEN]; /*
缓冲区 */
[align=left][/align]
/*
功能：生产一个字符并写入到仿真FIFO文件中 */
[align=left]int product(void)[/align]
[align=left]{[/align]
[align=left]int fd;[/align]
[align=left]unsigned int sign_type, sign_start, sign_count, size;[/align]
[align=left]static unsigned int counter = 0;[/align]
[align=left][/align]
/*
打开仿真FIFO文件 */
[align=left]if ((fd = open(fifo_file, O_CREAT|O_RDWR|O_APPEND, 0644)) < 0)[/align]
[align=left]{[/align]
[align=left]printf("Open fifo file error\n");[/align]
[align=left]exit(1);[/align]
[align=left]}[/align]
[align=left][/align]
[align=left]sign_type = SIGN_TYPE;[/align]
[align=left][/align]
[align=left]switch(sign_type)[/align]
[align=left]{[/align]
case ALPHABET:/*
英文字符 */
[align=left]{[/align]
[align=left]sign_start = ALPHABET_START;[/align]
[align=left]sign_count = COUNT_OF_ALPHABET;[/align]
[align=left]}[/align]
[align=left]break;[/align]
[align=left][/align]
case DIGIT:/*
数字字符 */
[align=left]{[/align]
sign_start = DIGIT_START;

[align=left]sign_count = COUNT_OF_DIGIT;[/align]
[align=left]}[/align]
[align=left]break;[/align]
[align=left][/align]
[align=left]default:[/align]
[align=left]{[/align]
[align=left]return -1;[/align]
[align=left]}[/align]
[align=left]}/*end of switch*/[/align]
[align=left][/align]
[align=left]sprintf(buff, "%c", (sign_start + counter));[/align]
[align=left]counter = (counter + 1) % sign_count;[/align]
[align=left][/align]
lock_set(fd, F_WRLCK); /*
上写锁*/
[align=left]if ((size = write(fd, buff, strlen(buff))) < 0)[/align]
[align=left]{[/align]
[align=left]printf("Producer: write error\n");[/align]
[align=left]return -1;[/align]
[align=left]}[/align]
lock_set(fd, F_UNLCK); /*
解锁 */
[align=left][/align]
[align=left]close(fd);[/align]
[align=left]return 0;[/align]
[align=left]}[/align]
[align=left][/align]
[align=left]int main(int argc ,char *argv[])[/align]
[align=left]{[/align]
int time_step = 1; /*
生产周期 */
int time_life = 10; /*
需要生产的资源数 */
[align=left][/align]
[align=left]if (argc > 1)[/align]
[align=left]{[/align]
[align=left]sscanf(argv[1], "%d", &time_step);[/align]
[align=left]}[/align]
[align=left][/align]
[align=left]if (argc > 2)[/align]
[align=left]{[/align]
[align=left]sscanf(argv[2], "%d", &time_life);[/align]
[align=left]}[/align]
[align=left][/align]
[align=left]while (time_life--)[/align]
[align=left]{[/align]
[align=left]if (product() < 0)[/align]
[align=left]{[/align]
[align=left]break;[/align]
[align=left]}[/align]
[align=left]sleep(time_step);[/align]
[align=left]}[/align]
[align=left][/align]
[align=left]exit(EXIT_SUCCESS);[/align]
[align=left]}[/align]
[align=left]本实验中的消费者程序的源代码如下所示。[/align]
[align=left][/align]
[align=left]/* customer.c */[/align]
[align=left][/align]
[align=left]#include <stdio.h>[/align]
[align=left]#include <unistd.h>[/align]
[align=left]#include <stdlib.h>[/align]
[align=left]#include <fcntl.h>[/align]
[align=left][/align]
[align=left]#define MAX_FILE_SIZE 100 * 1024 * 1024 /* 100M*/[/align]
[align=left][/align]
const char *fifo_file = "./myfifo"; /*
仿真FIFO文件名 */
const char *tmp_file = "./tmp"; /*
临时文件名 */
[align=left][/align]
/*
资源消费函数 */
[align=left]int customing(const char *myfifo, int need)[/align]
[align=left]{[/align]
[align=left]int fd;[/align]
[align=left]char buff;[/align]
[align=left]int counter = 0;[/align]
[align=left][/align]
[align=left]if ((fd = open(myfifo, O_RDONLY)) < 0)[/align]
[align=left]{[/align]
[align=left]printf("Function customing error\n");[/align]
[align=left]return -1;[/align]
[align=left]}[/align]
[align=left][/align]
[align=left]printf("Enjoy:");[/align]
[align=left]lseek(fd, SEEK_SET, 0);[/align]
[align=left][/align]
[align=left]while (counter < need)[/align]
{

[align=left]while ((read(fd, &buff, 1) == 1) && (counter < need))[/align]
[align=left]{[/align]
fputc(buff, stdout); /*
消费就是在屏幕上简单的显示 */
[align=left]counter++;[/align]
[align=left]}[/align]
[align=left]}[/align]
[align=left][/align]
[align=left]fputs("\n", stdout);[/align]
[align=left]close(fd);[/align]
return 0;

[align=left]}[/align]
[align=left][/align]
/*
功能:从sour_file文件的offset偏移处开始将count字节大小的数据拷贝到dest_file文件
*/
int myfilecopy(const char *sour_file, const char *dest_file, int offset,

[align=left]int count, int copy_mode)[/align]
[align=left]{[/align]
[align=left]int in_file, out_file;[/align]
[align=left]int counter = 0;[/align]
[align=left]char buff_unit;[/align]
[align=left][/align]
[align=left]if ((in_file = open(sour_file,O_RDONLY|O_NONBLOCK))<0)[/align]
[align=left]{[/align]
[align=left]printf("Function myfilecopy error in source file\n");[/align]
[align=left]return -1;[/align]
[align=left]}[/align]
[align=left][/align]
[align=left]if((out_file=open(dest_file,[/align]
[align=left]O_CREAT|O_RDWR|O_TRUNC|O_NONBLOCK, 0644)) < 0)[/align]
[align=left]{[/align]
[align=left]printf("Function myfilecopy errorin[/align]
[align=left]destination file:");[/align]
[align=left]return -1;[/align]
[align=left]}[/align]
[align=left][/align]
[align=left]lseek(in_file, offset, SEEK_SET);[/align]
[align=left]while((read(in_file,&buff_unit,1)==1)&&(counter<count))[/align]
[align=left]{[/align]
[align=left]write(out_file, &buff_unit, 1);[/align]
[align=left]counter++;[/align]
[align=left]}[/align]
[align=left][/align]
[align=left]close(in_file);[/align]
[align=left]close(out_file);[/align]
[align=left][/align]
[align=left]return 0;[/align]
[align=left]}[/align]
[align=left][/align]
/*
功能：实现FIFO消费者 */
[align=left]int custom(int need)[/align]
[align=left]{[/align]
[align=left]int fd;[/align]
[align=left][/align]
/*
对资源进行消费，need表示该消费的资源数目 */
[align=left]customing(fifo_file, need);[/align]
[align=left][/align]
[align=left]if ((fd = open(fifo_file, O_RDWR)) < 0)[/align]
[align=left]{[/align]
[align=left]printf("Function myfilecopy error in source_file:");[/align]
[align=left]return -1;[/align]
[align=left]}[/align]
[align=left][/align]
/*
为了模拟FIFO结构，对整个文件内容进行平行移动 */
[align=left]lock_set(fd, F_WRLCK);[/align]
[align=left]myfilecopy(fifo_file, tmp_file, need, MAX_FILE_SIZE, 0);[/align]
[align=left]myfilecopy(tmp_file, fifo_file, 0, MAX_FILE_SIZE, 0);[/align]
[align=left]lock_set(fd, F_UNLCK);[/align]
[align=left][/align]
unlink(tmp_file);

[align=left]close(fd);[/align]
[align=left]return 0;[/align]
[align=left]}[/align]
[align=left][/align]
[align=left]int main(int argc ,char *argv[])[/align]
[align=left]{[/align]
[align=left]int customer_capacity = 10;[/align]
[align=left][/align]
if (argc > 1) /*
第一个参数指定需要消费的资源数目，默认值为10 */
[align=left]{[/align]
[align=left]sscanf(argv[1], "%d", &customer_capacity);[/align]
[align=left]}[/align]
[align=left][/align]
[align=left]if (customer_capacity > 0)[/align]
[align=left]{[/align]
[align=left]custom(customer_capacity);[/align]
[align=left]}[/align]
[align=left][/align]
[align=left]exit(EXIT_SUCCESS);[/align]
[align=left]}[/align]
[align=left][/align]
[align=left]4、实验结果[/align]
[align=left]此实验的运行结果如下所示。实验结果会和这两个进程运行的具体过程相关。[/align]
[align=left]终端一：[/align]
[align=left]# ./producer 1 15 /*生产周期为1S，需要生产的资源数为20个*/[/align]
[align=left]Write lock set by 11867[/align]
[align=left]Release lock by 11867[/align]
[align=left]……[/align]
[align=left]终端二：[/align]
[align=left]# ./customer 5 /*需要消费的资源数为5个*/[/align]
[align=left]Enjoy：abcde[/align]
[align=left]Write lock set by 11879[/align]
[align=left]Release lock by 11879[/align]
[align=left] [/align]
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