【Linux】进程通信篇Ⅱ：共享内存、消息队列、信号量

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一、共享内存

我们知道，进程间通信的本质就是：让不同的进程，看到同一份资源

这里要介绍的同一份资源就是：内存块，即 共享内存（shared memory，简写为 shm）

共享内存的原理：

1.创建（key 和 共享内存）

2.关联进程 和 取消关联

3.释放共享内存

内存中的每块共享内存，会有一个 struct shm 结构体，里面放着共享内存的全部属性，OS 通过这个结构体建立链表关系来对所有的共享内存进行管理，就等于把管理 shm 的问题转化成了管理链表的问题。

故：

共享内存
=
共享内存的内核数据结构 （伪代码：struct shm）
+
真正开辟的内存空间

1.1 一些接口

1. shmget 函数：申请一个 system v 的共享内存块

头文件：

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>// umask的头文件如下
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
 
参数 key：

• 使用 ftok 函数设置的唯一标识码，他虽由用户设置，却是在内核中使用的

 
参数 size

• 需要申请共享内存块的大小，单位为字节，不足 PAGE 页（4KB）时，会向上对齐到 PAGE 页

 
参数 shmflg：

• 选项 IPC_CREAT and IPC_EXCL

• 单独使用 IPC_CREAT：创建一个共享内存，如果共享内存不存在，就创建，如果已经存在就获取已经存在的共享内存并返回。

• IPC_CREAT | IPC_EXCL ：IPC_EXCL 必须要配合 IPC_CREAT 使用，创建一个共享内存，如果共享内存不存在，就创建，如果已经存在就出错返回
  意味着，一起使用时，如果创建成功，对应的shm，一定是最新的！

• IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666 ：上面的基础上，添加权限（可以配合函数 umask(0) 使用）

 
返回值：

• 成功会返回一个共享内存标识符，失败返回 -1

2. ftok 函数：设置唯一标识码

头文件

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
 
参数 pathname

• 用户设置的路径

 
参数 proj_id

• 用户设置的项目 id

 
返回值：

• 根据用户传入的参数，结合一定的算法，返回一个冲突概率很低的值。ket_t 就是一个 32 位的整数，是对 int 的封装

3. shmctl 函数：控制 system v 的共享内存块（可以删除、查看…）

头文件

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>   

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
 
参数 shmid

• 需要的共享内存块的 shmid

 
参数 cmd：

• 选项 IPC_STAT：把用户传入 shmid 的相应内核数据结构信息复制到 buf 中（在调用者有读权限的情况下，才能成功）
• 选项 IPC_RMID：删除 shmid 为传入值的共享内存块

 
输出型参数 buf：

• 需要得到 ipc 信息时传一个相应类型的值用来接收结果

 
返回值：

• 失败返回 -1，成功则根据 cmd 传入的选项返回对应的值

//The buf argument is a pointer to a shmid_ds structure, defined in <sys/shm.h> as follows:struct shmid_ds {struct ipc_perm shm_perm;    /* Ownership and permissions */size_t          shm_segsz;   /* Size of segment (bytes) */time_t          shm_atime;   /* Last attach time */time_t          shm_dtime;   /* Last detach time */time_t          shm_ctime;   /* Last change time */pid_t           shm_cpid;    /* PID of creator */pid_t           shm_lpid;    /* PID of last shmat(2)/shmdt(2) */shmatt_t        shm_nattch;  /* No. of current attaches */...};//The ipc_perm structure is defined as follows (the highlighted fields  are  settable  using IPC_SET):struct ipc_perm {key_t          __key;    /* Key supplied to shmget(2) */uid_t          uid;      /* Effective UID of owner */gid_t          gid;      /* Effective GID of owner */uid_t          cuid;     /* Effective UID of creator */gid_t          cgid;     /* Effective GID of creator */unsigned short mode;     /* Permissions + SHM_DEST andSHM_LOCKED flags */unsigned short __seq;    /* Sequence number */};

4. shmat 函数：将进程与共享内存块 关联\ 挂接（attach）

头文件

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>

void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
 
参数 shmid

• 需要的共享内存块的 shmid

 
参数 shmaddr：

• 用户可以选择虚拟地址作为共享内存块的起始地址
• 用户一般不定义，设为 nullptr 让 OS 自主定义即可

 
参数 shmflg：

• 选项 SHM_RDONLY：只读
• 0：可以读写

 
返回值：

• 挂接成功，返回共享内存块的虚拟地址的起始地址

5. shmdt 函数：将进程与共享内存块 去关联（detach）

头文件

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>

int shmdt(const void *shmaddr);
 
参数 shmaddr：

• 共享内存块的起始地址

 
返回值：

• 去关联成功返回 0，失败返回 -1

1.2 一些命令

1. ipcs - - 查看三种 ipc 资源

ipcs 就是进程间通信（ipc）资源

ipcs：可以查看 消息队列、共享内存亏块、信号量
-m：查看 共享内存块（memory）
-s：查看 信号量（semaphore）

perms：权限
nattach：当前 ipc 挂接的进程数

2. ipcrm – 删除某种 ipc 资源

ipcrm：删除一个 消息队列、共享内存亏块、信号量
-m：删除一个共享内存块，后接 shmid

1.3 结论

1. 两个进程管道通信一次，需要进行两次复制。而共享内存间的通信，可以让进程们直接在自己映射的地址空间中访问，减少了拷贝次数（）

2. 管道单方面关闭读写端会有相应的保护，而共享内存没有保护机制（同步互斥）。管道通过系统接口通信，共享内存直接通信

3. 互斥：任何一个时刻，都只允许一个执行流在进行共享资源的访问，叫做加锁

4. 我们把任何一个时刻，都只允许一个执行流在进行访问的共享资源，叫做 临界资源。凡是访问临界资源的代码，叫做临界区，控制进出临界区的手段造就了临界资源。

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二、消息队列

1. msgget 函数：创建消息队列

头文件

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

int msgget(key_t key, int msgflg)
 

参数 key：

• 使用 ftok 函数设置的唯一标识码

 
参数 msgflg：

• 选项 IPC_CREAT and IPC_EXCL

• 单独使用 IPC_CREAT：创建一个共享内存，如果共享内存不存在，就创建，如果已经存在就获取已经存在的共享内存并返回。

• IPC_CREAT | IPC_EXCL ：IPC_EXCL 必须要配合 IPC_CREAT 使用，创建一个共享内存，如果共享内存不存在，就创建，如果已经存在就出错返回
  意味着，一起使用时，如果创建成功，对应的shm，一定是最新的！

• IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666 ：上面的基础上，添加权限（可以配合函数 umask(0) 使用）

 
返回值：

• 成功则返回消息队列的标识符

2. msgctl 函数

头文件

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
 
参数 msqid

• 需要的消息队列的 msqid

 
参数 cmd：

• 选项 IPC_STAT：把用户传入 msqid 的相应内核数据结构信息复制到 buf 中（在调用者有读权限的情况下，才能成功）
• 选项 IPC_RMID：删除 msqid 为传入值的共享内存块

 
输出型参数 buf：

• 需要得到 ipc 信息时传一个相应类型的值用来接收结果

 
返回值：

• 成功返回 >= 0 的值，失败返回 -1

The msqid_ds data structure is defined in <sys/msg.h> as follows:struct msqid_ds {struct ipc_perm msg_perm;     /* Ownership and permissions */time_t          msg_stime;    /* Time of last msgsnd(2) */time_t          msg_rtime;    /* Time of last msgrcv(2) */time_t          msg_ctime;    /* Time of last change */unsigned long   __msg_cbytes; /* Current number of bytes inqueue (nonstandard) */msgqnum_t       msg_qnum;     /* Current number of messagesin queue */msglen_t        msg_qbytes;   /* Maximum number of bytesallowed in queue */pid_t           msg_lspid;    /* PID of last msgsnd(2) */pid_t           msg_lrpid;    /* PID of last msgrcv(2) */};The ipc_perm structure is defined as follows (the highlighted fields  are  settable  using
IPC_SET):struct ipc_perm {key_t          __key;       /* Key supplied to msgget(2) */uid_t          uid;         /* Effective UID of owner */gid_t          gid;         /* Effective GID of owner */uid_t          cuid;        /* Effective UID of creator */gid_t          cgid;        /* Effective GID of creator */unsigned short mode;        /* Permissions */unsigned short __seq;       /* Sequence number */};

3. msgsnd 和 msgrcv 函数，发送和接收消息

头文件

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
 
ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);
 

参数 msqid：

• 发送和接收访问的同一个消息队列
   

参数 msgp：

• 发送或接收的数据块
   

参数 msgsz：

• 发送或接收数据块的大小
   

参数 msgflg：

• 选项，一般填 0 即可
   

参数 msgtyp：

• msgbuf 里面的 mtype

// The msgp argument is a pointer to caller-defined structure of the following general form:struct msgbuf {long mtype;       /* message type, must be > 0 */char mtext[1];    /* message data */
};

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三、信号量

信号量 / 信号灯（semaphore），本质 就是一个计数器，是一个描述资源数量的计数器。

举个例子：

• 比如我们任何一个执行流，像访问临界资源中的一个子资源的时候，不能直接访问，需要 先申请信号量资源（P操作），此时 count-- 。只要申请信号量成功，未来就一定能拿到一个子资源。（类似摇号）

• 然后进入进程自己的临界区，访问对应的临界资源。

• 使用完成后，进程释放信号量资源（V操作），只要将计数器增加 count++，就表示将我们对应的资源进行了归还。

至此，进程通过执行代码来申请，意味着，所有进程都得先看到信号量，信号量就是一个共享资源。（信号量保护共享资源，自己却又是一个共享资源）

故，信号量必须保证自己的 ++ - - 是原子的
也，信号量被归类到了进程间通信

信号量部分未完待续~

1. semget

头文件

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
 
参数 key：

• 使用 ftok 函数设置的唯一标识码，他虽由用户设置，却是在内核中使用的

 
参数 nsems：

• 申请信号量的个数（叫做信号量集）

 
参数 semflg：

• 选项 IPC_CREAT and IPC_EXCL

• 单独使用 IPC_CREAT：创建一个共享内存，如果共享内存不存在，就创建，如果已经存在就获取已经存在的共享内存并返回。

• IPC_CREAT | IPC_EXCL ：IPC_EXCL 必须要配合 IPC_CREAT 使用，创建一个共享内存，如果共享内存不存在，就创建，如果已经存在就出错返回
  意味着，一起使用时，如果创建成功，对应的shm，一定是最新的！

• IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666 ：上面的基础上，添加权限（可以配合函数 umask(0) 使用）

 
返回值：

• 成功会返回一个信号量计数器标识符，失败返回 -1

2. semctl 函数：可以获取信号量的相关属性

头文件

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
 
参数 semid：

• 需要的信号量的semid

 
参数 semnum：

• 信号量编号

 
参数 cmd：

• 选项 IPC_STAT：把用户传入 msqid 的相应内核数据结构信息复制到 buf 中（在调用者有读权限的情况下，才能成功）
• 选项 IPC_RMID：删除 msqid 为传入值的共享内存块

 
返回值：

• 成功返回 >= 0 的值，失败返回 -1

//This  function  has  three  or four arguments, depending on cmd.  When there are four, the
//fourth has the type union semun.  The calling program must define this union as follows:union semun {int              val;    /* Value for SETVAL */struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO(Linux-specific) */};//The semid_ds data structure is defined in <sys/sem.h> as follows:struct semid_ds {struct ipc_perm sem_perm;  /* Ownership and permissions */time_t          sem_otime; /* Last semop time */time_t          sem_ctime; /* Last change time */unsigned long   sem_nsems; /* No. of semaphores in set */};//The ipc_perm structure is defined as follows (the highlighted fields  are  settable  usingIPC_SET):struct ipc_perm {key_t          __key; /* Key supplied to semget(2) */uid_t          uid;   /* Effective UID of owner */gid_t          gid;   /* Effective GID of owner */uid_t          cuid;  /* Effective UID of creator */gid_t          cgid;  /* Effective GID of creator */unsigned short mode;  /* Permissions */unsigned short __seq; /* Sequence number */};

3. semop 函数：对信号量进行操作

头文件

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
 
参数 sops：

• 需要用户自己定义后传入，设置结构体内容，以此达到对信号量的 PV 操作等等

//Each semaphore in a System V semaphore set has the following associated values:unsigned short  semval;   /* semaphore value */unsigned short  semzcnt;  /* # waiting for zero */unsigned short  semncnt;  /* # waiting for increase */pid_t           sempid;   /* ID of process that did last op *///semop() performs operations on selected semaphores in the set indicated by semid.  
//Each of the nsops elements in the array pointed to by sops specifies an operation to be  performed on a single semaphore.  
//The elements of this structure are of type struct sembuf, containing the following members:unsigned short sem_num;  /* semaphore number */short          sem_op;   /* semaphore operation */short          sem_flg;  /* operation flags */

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总结：

共享内存、消息队列、信号量 这三种 ipc 都有各自的内核数据结构体，而结构体的第一个成员都是 struct ipc_perm xx_perm。

可以理解为 OS 将这三种 ipc 都放进了一个 struct ipc_perm* ipc_id_arr[] 指针数组中进行管理（这里只是做理解解释，实际上更复杂）。

OS 通过指针，可以找到每个结构体（同时也是每个结构的第一个成员，即 struct ipc_perm xx_perm），在其中找到 key 值就可以确定。

要访问里面的内容时，以共享内存举例

((struct shmid_ds*)ipc_id_arr[n])->other...

对指针进行强转，就可以访问到其中内容了，这也是一种多态。