CS-LABS/lab_4/README_lab4.md

Лабораторная работа №4: Каналы передачи данных

Цель работы

Получить навыки организации обмена информацией между процессами средствами неименованных или именованных каналов в программах на языке C в операционных системах семейства Linux.

Описание задания

Лабораторная работа является модификацией лабораторной работы №3, в которой обмен данными между родительской и дочерними программами производится через программные каналы.

Вариант 12

Программа читает текстовый файл построчно. Для каждой строки первый символ становится ключом, и все вхождения этого символа в строке заменяются пробелами, пока не будет достигнуто максимальное количество замен.

Реализованные решения

1. Решение с неименованными каналами (pipes)

Файлы:

• parent_pipe.c - родительская программа
• child_pipe.c - дочерняя программа

Принцип работы:

1. Родительский процесс создает три канала для каждого дочернего процесса:

   • pipe_to_child - для передачи данных дочернему процессу
   • pipe_from_child - для получения обработанных данных
   • pipe_error - для получения количества замен

2. Родительский процесс:

   • Читает данные из входного файла
   • Передает данные дочернему процессу через pipe_to_child
   • Получает обработанные данные через pipe_from_child
   • Записывает результат в выходной файл

3. Дочерний процесс:

   • Перенаправляет stdin на чтение из канала (dup2)
   • Перенаправляет stdout на запись в канал (dup2)
   • Обрабатывает данные согласно варианту 12
   • Возвращает количество замен через stderr

Преимущества:

• Простая реализация для родственных процессов
• Автоматическая синхронизация через блокирующие операции чтения/записи
• Нет необходимости в файловых дескрипторах на диске

Недостатки:

• Работает только между родственными процессами
• Ограниченный размер буфера канала

2. Решение с именованными каналами (FIFO)

Файлы:

• fifo_server.c - серверная программа
• fifo_client.c - клиентская программа

Принцип работы:

1. Сервер создает два именованных канала:

   • /tmp/fifo_request - для получения запросов
   • /tmp/fifo_response - для отправки ответов

2. Клиент:

   • Читает данные из входного файла
   • Отправляет данные серверу через fifo_request
   • Получает обработанные данные через fifo_response
   • Записывает результат в выходной файл

3. Сервер:

   • Ожидает запросы от клиентов
   • Обрабатывает данные согласно варианту 12
   • Отправляет результат обратно клиенту

Преимущества:

• Работает между неродственными процессами
• Клиент-серверная архитектура
• Возможность обработки запросов от нескольких клиентов

Недостатки:

• Более сложная реализация
• Требуется управление файлами в файловой системе
• Необходима синхронизация между клиентом и сервером

Компиляция и запуск

Компиляция всех программ

make -f Makefile_lab4 all

Тестирование с неименованными каналами

make -f Makefile_lab4 test_pipes

Тестирование с именованными каналами

Вариант 1: Автоматический тест

make -f Makefile_lab4 test_fifo_auto

Вариант 2: Ручной запуск в двух терминалах

Терминал 1 (сервер):

make -f Makefile_lab4 test_fifo_server

Терминал 2 (клиент):

make -f Makefile_lab4 test_fifo_client

Сравнение с оригинальной версией

make -f Makefile_lab4 test_compare

Запуск всех тестов

make -f Makefile_lab4 test_all

Примеры использования

Неименованные каналы

./parent_pipe ./child_pipe 10 input1.txt output1.txt input2.txt output2.txt

Именованные каналы

Запустить сервер:

./fifo_server 10

В другом терминале запустить клиент:

./fifo_client input1.txt output1.txt
./fifo_client input2.txt output2.txt

Обработка исключительных ситуаций

Программы предусматривают обработку следующих ошибок:

• Отсутствие или неверное количество входных параметров
• Ошибки открытия входного и/или выходного файла
• Ошибки создания каналов
• Ошибки создания дочерних процессов
• Ошибки чтения и записи через каналы

Технические детали

Используемые системные вызовы

Неименованные каналы:

• pipe() - создание канала
• fork() - создание дочернего процесса
• dup2() - дублирование файлового дескриптора
• read() / write() - чтение/запись данных
• close() - закрытие файлового дескриптора
• waitpid() - ожидание завершения дочернего процесса
• execl() - запуск новой программы

Именованные каналы:

• mkfifo() - создание именованного канала
• open() - открытие FIFO
• read() / write() - чтение/запись данных
• close() - закрытие FIFO
• unlink() - удаление FIFO

Схема работы каналов

Неименованные каналы (pipes):

Родительский процесс                  Дочерний процесс
     [файл] → read                         stdin ← pipe
                ↓                             ↓
              pipe → write              read → process
                                              ↓
              read ← pipe               write → stdout
                ↓
            write → [файл]

Именованные каналы (FIFO):

Клиент                              Сервер
[файл] → read                   /tmp/fifo_request ← open
           ↓                             ↓
     write → /tmp/fifo_request      read → process
                                          ↓
     read ← /tmp/fifo_response      write → /tmp/fifo_response
           ↓
     write → [файл]

Структура проекта

lab4/
├── parent_pipe.c         # Родительская программа (pipes)
├── child_pipe.c          # Дочерняя программа (pipes)
├── fifo_server.c         # Серверная программа (FIFO)
├── fifo_client.c         # Клиентская программа (FIFO)
├── parent.c              # Оригинальная версия (Lab 3)
├── lab1_var12.c          # Оригинальная версия (Lab 1)
├── Makefile_lab4         # Makefile для компиляции и тестирования
└── README_lab4.md        # Документация

Контрольные вопросы (стр. 82)

1. Что такое канал (pipe)?

   • Канал - это механизм межпроцессного взаимодействия (IPC), представляющий собой однонаправленный канал связи между процессами.

2. В чем разница между именованными и неименованными каналами?

   • Неименованные каналы существуют только в памяти и доступны только родственным процессам
   • Именованные каналы (FIFO) создаются в файловой системе и доступны любым процессам

3. Как создать канал?

   • Неименованный: int pipe(int fd[2])
   • Именованный: int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode)

4. Что происходит при чтении из пустого канала?

   • Процесс блокируется до тех пор, пока в канал не будут записаны данные

5. Что происходит при записи в заполненный канал?

   • Процесс блокируется до тех пор, пока в канале не освободится место

6. Как передать данные через канал?

   • Используя системные вызовы write() для записи и read() для чтения

7. Зачем нужно закрывать неиспользуемые концы канала?

   • Для корректного определения EOF при чтении
   • Для освобождения ресурсов
   • Для предотвращения deadlock

Автор

Лабораторная работа выполнена в рамках курса "Системное программирование в среде Linux"