消息队列、共享内存、信号灯

IPC（Inter-Process Communication，进程间通信）

        常用的 IPC 对象包括管道（pipe）、消息队列（message queue）、信号量（semaphore）和共享内存（shared memory）等

    1.ipcs 

         查看系统重的消息队列、共享内存、信号灯的信息
   

    2.ipcrm

       删除消息队列、共享内存、信号灯
      ipcrm -Q/-M/-S key
      ipcrm -q/-m/-s 消息队列ID/共享内存ID/信号灯ID
      
   

    3.操作流程:

        创建消息队列 -> 发送消息 -> 接收消息

   4.函数接口:

        1.ftok

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

        功能:
            根据pathname和proj_id生成一个key_t类型的key值,将来可以用来创建消息队列、共享内存、信号灯

          参数:
            pathname:文件路径
            proj_id:8位非0值

          返回值:
            成功返回key_t类型的IPC对象的key值
            失败返回-1 

        2.msgget 

          int msgget(key_t key, int msgflg);

          功能:
            根据key值对象的IPC对象创建一个消息队列

          参数:
            key:IPC对象名字 
            msgflg:IPC_CREAT    对象不存在就创建
                   IPC_EXCL     对象存在报错
                   IPC_CREAT | 0664 

          返回值:
            成功返回消息队列ID
            失败返回-1 

        3.msgsnd 

          int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);

          功能:
            向消息队列中发送消息

          参数:
            msqid:消息队列的ID号

            msgp:发送消息空间的首地址
                struct msgbuf {
                    long mtype;       /* message type, must be > 0 */  消息的类型号
                    char mtext[1];    /* message data */  消息的内容
                };
            msgz:发送消息内容的大小(不包含发送消息类型)
            msgflg:属性,默认为0

          返回值:
            成功返回0 
            失败返回-1 

        4.msgrcv 

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

          功能:
            从消息队列中接收消息
          参数:
            msqid:消息队列的ID号 
            msgp:存放接收到消息空间的首地址
            msgsz:最多接收消息的空间的大小
            msgtyp:想要接收消息的类型
            msgflg:属性，默认为0 
          返回值:
            成功返回实际接收的字节数
            失败返回-1 

        5.msgctl 

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

          功能:
            向消息队列发送一条cmd命令

          参数:
            msqid:消息队列的ID号
            cmd:IPC_RMID    删除消息队列 
            buf:默认传NULL

          返回值:
            成功返回0 
            失败返回-1 

练习:    利用消息队列实现clientA和clientB两个进程任务的全双工聊天功能

#ifndef __HEAD_H__
#define __HEAD_H__#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <signal.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>struct msgbuf 
{long mtype;char mtext[256];
};#endif

 Client A

#include "head.h"pthread_t tid_send;
pthread_t tid_recv;
int msgid = 0;void *SendThread(void *arg)
{struct msgbuf sendmsg;int ret = 0;while (1){memset(&sendmsg, 0, sizeof(sendmsg));sendmsg.mtype = 100;gets(sendmsg.mtext);ret = msgsnd(msgid, &sendmsg, sizeof(sendmsg) - sizeof(long), 0);if (-1 == ret){perror("fail to msgsnd");return NULL;}if (!strcmp(sendmsg.mtext, ".quit")){break;}}pthread_cancel(tid_recv);return NULL;
}void *RecvThread(void *arg)
{struct msgbuf recvmsg;ssize_t nsize = 0;while (1){memset(&recvmsg, 0, sizeof(recvmsg));nsize = msgrcv(msgid, &recvmsg, sizeof(recvmsg) - sizeof(long), 200, 0);if (-1 == nsize){perror("fail to msgrcv");return NULL;}if (!strcmp(recvmsg.mtext, ".quit")){break;}printf("RECV:%s\n", recvmsg.mtext);}pthread_cancel(tid_send);return NULL;
}int main(void)
{key_t key;key = ftok(".", 'a');if (-1 == key){perror("fail to ftok");return -1;}msgid = msgget(key, IPC_CREAT | 0664);if (-1 == msgid){perror("fail to msgget");return -1;}pthread_create(&tid_send, NULL, SendThread, NULL);pthread_create(&tid_recv, NULL, RecvThread, NULL);pthread_join(tid_send, NULL);pthread_join(tid_recv, NULL);msgctl(msgid, IPC_RMID, NULL);return 0;
}

clientB

#include "head.h"pthread_t tid_send;
pthread_t tid_recv;
int msgid = 0;void *SendThread(void *arg)
{struct msgbuf sendmsg;int ret = 0;while (1){memset(&sendmsg, 0, sizeof(sendmsg));sendmsg.mtype = 200;gets(sendmsg.mtext);ret = msgsnd(msgid, &sendmsg, sizeof(sendmsg) - sizeof(long), 0);if (-1 == ret){perror("fail to msgsnd");return NULL;}if (!strcmp(sendmsg.mtext, ".quit")){break;}}pthread_cancel(tid_recv);return NULL;
}void *RecvThread(void *arg)
{struct msgbuf recvmsg;ssize_t nsize = 0;while (1){memset(&recvmsg, 0, sizeof(recvmsg));nsize = msgrcv(msgid, &recvmsg, sizeof(recvmsg) - sizeof(long), 100, 0);if (-1 == nsize){perror("fail to msgrcv");return NULL;}if (!strcmp(recvmsg.mtext, ".quit")){break;}printf("RECV:%s\n", recvmsg.mtext);}pthread_cancel(tid_send);return NULL;
}int main(void)
{key_t key;key = ftok(".", 'a');if (-1 == key){perror("fail to ftok");return -1;}msgid = msgget(key, IPC_CREAT | 0664);if (-1 == msgid){perror("fail to msgget");return -1;}pthread_create(&tid_send, NULL, SendThread, NULL);pthread_create(&tid_recv, NULL, RecvThread, NULL);pthread_join(tid_send, NULL);pthread_join(tid_recv, NULL);msgctl(msgid, IPC_RMID, NULL);return 0;
}

2.共享内存:

          它是进程间通信最高效的形式

    1.操作方式:

        创建共享内存 -> 映射到共享内存中 -> 共享内存操作 -> 解除映射 -> 删除共享内存 

    2.函数接口:

        1.ftok 

        
        2.shmget 

          int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
          功能:
            创建一个共享内存

          参数:
            key:IPC对象名称
            size:共享内存的大小
            shmflg:
                IPC_CREAT 
                IPC_EXCL 
          返回值:  
            成功返回共享内存ID
            失败返回-1 
        

        3.shmat

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

          功能:
            将一个地址映射到共享内存中

          参数:
            shmid:共享内存ID号
            shmaddr:NULL     让系统选择一个合适的地址映射
                    不为NULL shmflg 设定为SHM_RND 选择离给定地址最近的能够映射的地址进行映射
                             否则传递地址为4k的整数倍
          返回值:
            成功返回映射到共享内存空间中的地址
            失败返回NULL

        4.shmdt 

          int shmdt(const void *shmaddr);

          功能:
            解除映射 

          参数:
            shmaddr:映射的地址

          返回值:
            成功返回0 
            失败返回-1 

        5.shmctl

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

          功能:
            向共享内存发送命令
          参数:
            shmid:共享内存ID号
            cmd:IPC_RMID    删除共享内存
            buf:NULL 
          返回值:
            成功返回0 
            失败返回-1 

3.信号灯（有名信号量） 

1.创建

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

        功能:
            创建一组信号量

        参数:
            key:IPC对象名
            nsems:信号量的个数
            semflg:IPC_CREAT 

        返回值:
            成功返回信号量ID
            失败返回-1 

    2.销毁 

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

        功能:   
            向信号灯发送命令

        参数:
            semid:信号灯ID号
            semnum:具体操作信号量的编号
            cmd:
                IPC_RMID    删除信号灯
                SETVAL      设置信号量的值

        返回值:
            成功返回0
            失败返回-1 

        初始化:   //注意：这是一个共用体
        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) */
        };

    3.申请信号量

    4.释放信号量

        semop 
        int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);
        功能:
            对信号量完成操作

        参数:
            semid:信号灯的ID号
            sops:信号量操作的数组首地址
            nsops:数组元素个数

        返回值:
            成功返回0 
            失败返回-1 

         unsigned short sem_num;  /* semaphore number */        操作信号量的下标
         short          sem_op;   /* semaphore operation */     具体对信号量的操作（申请:-1  释放:+1）
         short          sem_flg;  /* operation flags */         SEM_UNDO

 

#include "head.h"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) */
};int main(void)
{key_t key;int semid = 0;union semun myun;struct sembuf mybuf;int ret = 0;key = ftok(".", 'a');if (-1 == key){perror("fail to ftok");return -1;}semid = semget(key, 2, IPC_CREAT | 0664);if (-1 == semid){perror("fail to semget");return -1;}/* 对信号灯中的0号信号量初始化为0 */myun.val = 0;semctl(semid, 0, SETVAL, myun);/* 对信号灯中的1号信号量初始化为1 */myun.val = 1;semctl(semid, 1, SETVAL, myun);/* 申请1号信号量 */mybuf.sem_num = 1;mybuf.sem_op = -1;mybuf.sem_flg = SEM_UNDO;ret = semop(semid, &mybuf, 1);if (-1 == ret){perror("fail to semop");return -1;}printf("申请到写信号量!\n");/* 释放0号信号量 */mybuf.sem_num = 0;mybuf.sem_op = +1;mybuf.sem_flg = SEM_UNDO;ret = semop(semid, &mybuf, 1);if (-1 == ret){perror("fail to semop");return -1;}printf("释放了读信号量!\n");/* 申请0号信号量 */mybuf.sem_num = 0;mybuf.sem_op = -1;mybuf.sem_flg = SEM_UNDO;ret = semop(semid, &mybuf, 1);if (-1 == ret){perror("fail to semop");return -1;}printf("申请了读信号量!\n");semctl(semid, 0, IPC_RMID);return 0;
}

练习：使用共享内存和信号量实现同步通信

#ifndef __HEAD_H__
#define __HEAD_H__#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <dirent.h>
#include <time.h>
#include <pwd.h>
#include <grp.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <signal.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>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) */
};extern int init_sem(int semid, int *parray, int len);
extern int sem_p(int semid, int num);
extern int sem_v(int semid, int num);#endif

发送

#include "head.h"int main(void)
{key_t key;int shmid = 0;int semid = 0;char *pshmaddr = NULL;int val[2] = {0, 1};key = ftok(".", 'a');if (-1 == key){perror("fail to ftok");return -1;}semid = semget(key, 2, IPC_CREAT | 0664);if (-1 == semid){perror("fail to semget");return -1;}init_sem(semid, val, 2);shmid = shmget(key, 4096, IPC_CREAT | 0664);if (-1 == shmid){perror("fail to shmget");return -1;}pshmaddr = shmat(shmid, NULL, 0);if (NULL == pshmaddr){perror("fail to shmat");return -1;}while (1){sem_p(semid, 1);gets(pshmaddr);sem_v(semid, 0);if (!strcmp(pshmaddr, ".quit")){break;}}shmdt(pshmaddr);shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);return 0;
}

接收

#include "head.h"int main(void)
{key_t key;int shmid = 0;int semid = 0;char *pshmaddr = NULL;int val[2] = {0, 1};key = ftok(".", 'a');if (-1 == key){perror("fail to ftok");return -1;}semid = semget(key, 2, IPC_CREAT | 0664);if (-1 == semid){perror("fail to semget");return -1;}init_sem(semid, val, 2);shmid = shmget(key, 4096, IPC_CREAT | 0664);if (-1 == shmid){perror("fail to shmget");return -1;}pshmaddr = shmat(shmid, NULL, 0);if (NULL == pshmaddr){perror("fail to shmat");return -1;}while (1){sem_p(semid, 0);printf("SHMADDR:%s\n", pshmaddr);if (!strcmp(pshmaddr, ".quit")){break;}sem_v(semid, 1);}shmdt(pshmaddr);shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);return 0;
}

信号量控制

#include "head.h"int init_sem(int semid, int *parray, int len)
{union semun myun;int i = 0;int ret = 0;for (i = 0; i < len; i++){myun.val = parray[i];ret = semctl(semid, i, SETVAL, myun);if (-1 == ret){perror("fail to semctl");return -1;}}return 0;
}int sem_p(int semid, int num)
{int ret = 0;struct sembuf mybuf;mybuf.sem_num = num;mybuf.sem_op = -1;mybuf.sem_flg = SEM_UNDO;ret = semop(semid, &mybuf, 1);if (-1 == ret){perror("fail to semop");return -1;}return 0;
}int sem_v(int semid, int num)
{int ret = 0;struct sembuf mybuf;mybuf.sem_num = num;mybuf.sem_op = +1;mybuf.sem_flg = SEM_UNDO;ret = semop(semid, &mybuf, 1);if (-1 == ret){perror("fail to semop");return -1;}return 0;
}