Linux进程间通信之System V

目录

认识system V：

system V共享内存：

 共享内存的基本原理：

共享内存的数据结构：

共享内存的建立与释放：

共享内存的建立：

 共享内存的释放：

共享内存的关联： 

 共享内存的去关联：

用共享内存实现serve&client通信：

 system V消息队列：

消息队列基本原理：

消息队列数据结构：

消息队列的创建：

消息队列的释放：

向消息队列发送数据：

从消息队列获取数据：

system信号量:

信号量相关概念:

信号量数据结构:

信号量集的创建：

 信号量集的删除：

 信号量集的操作：

进程互斥 

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认识system V：

对于进程间通信，想必管道大家再熟悉不过了，对于管道这种通信方式，其实是对底层代码的一种复用，linux工程师借助类似文件缓冲区的内存空间实现了管道，其实也算偷了一个小懒，随着linux的发展，linux正式推出了System V来专门进行进程间通信，它和管道的本质都是一样的，都是让不同的进程看到同一份资源。

system V通信的3种通信方式：

1.system V共享内存 （）

2.system V消息队列 （）

3.system V信号量 （）

上述中的共享内存和消息队列主要用于传输数据，而信号量则是用于保证进程间的同步与互斥，虽然看起来信号量和通信没关联，但其实它也属于通信的范畴。

system V共享内存：

 共享内存的基本原理：

之前说的到了通信的原理都是让不同的进程看到同一份资源，共享内存让进程看到同一份资源的方法就是，在物理内存中申请一块空间，名为共享内存，然后让这块空间与需要通信的进程的页表建立映射，再在进程的虚拟地址的栈区和堆区中间的共享区，开辟一段空间，将该空间的地址页表对应的位置，这样虚拟地址就和物理地址建立了联系，让不同的进程看到了同一份资源。

注意：这里说的开辟物理空间和建立页表映射关系，都是由操作系统来完成。

共享内存的数据结构：

系统中可能不止一对进程需要通信，一块共享内存只能支持两个进程通信，所以操作系统是支持申请多个共享内存的，而多个共享内存被操作系统管理，所以操作系统中一定有管理共享内存的内核数据结构：

struct shmid_ds {
struct ipc_perm shm_perm; /* operation perms */
int shm_segsz; /* size of segment (bytes) */
__kernel_time_t shm_atime; /* last attach time */
__kernel_time_t shm_dtime; /* last detach time */
__kernel_time_t shm_ctime; /* last change time */
__kernel_ipc_pid_t shm_cpid; /* pid of creator */
__kernel_ipc_pid_t shm_lpid; /* pid of last operator */
unsigned short shm_nattch; /* no. of current attaches */
unsigned short shm_unused; /* compatibility */
void *shm_unused2; /* ditto - used by DIPC */
void *shm_unused3; /* unused */
};

当我们申请一块共享内存，system V为了能让不同的进程看到这块共享内存，每个共享内存申请时都会有一个key值，用于系统标志这块共享内存的唯一性。

可以看到上面共享内存数据结构中，第一个成员是shm_perm，shm_perm是一个ipc_perm类型的结构体变量，ipc_perm中存放了每个共享内存的key，ipc_perm的结构如下：

struct ipc_perm{__kernel_key_t  key;__kernel_uid_t  uid;__kernel_gid_t  gid;__kernel_uid_t  cuid;__kernel_gid_t  cgid;__kernel_mode_t mode;unsigned short  seq;
};

共享内存的建立与释放：

共享内存的建立大致为以下两步：

1.在物理空间中开辟一块共享内存空间。

2.将该物理空间与进程虚拟地址空间通过页表建立映射关系。（挂载）

共享内存的释放大致为以下两步： 

1.将该物理空间和进程虚拟地址空间取关联，取消页表映射。（去挂载）

2.释放共享空间，将物理内存还给操作系统。

共享内存的建立：

共享内存的建立需要使用smhget函数：

smhget参数说明：

key：表示待创建共享内存在系统的唯一标识。

size：表示想要申请的共享内存的大小。（建议4096的整数倍）

shmflg：表示创建共享内存的方式。

smhget返回值说明：

若创建成功则返回共享内存的描述符smhid（用户层的，和key不同） 

若创建失败则返回 -1

注意key值是需要我们自己传入的，我们可以想传什么就传什么，但key不可重复，所以建议使用ftok函数来取到合适的key：

 注意：ftok函数是将一个路径pathname和一个proj_id通过一个特定的函数转换成key值。

传入shmget函数的第三个参数shmflg，常用的组合方式有以下两种： 

组合方式	作用
IPC_CREAT	如果内核中不存在键值与key相等的共享内存，则新建一个共享内存并返回该共享内存的句柄；如果存在这样的共享内存，则直接返回该共享内存的句柄
IPC_CREAT|IPC_EXCL	如果内核中不存在键值与key相等的共享内存，则新建一个共享内存并返回该共享内存的句柄；如果存在这样的共享内存，则出错返回

这两种奇怪的区分到底有什么用呢？

若是第一种方式拿到了一个描述符，则说明该共享内存一定是旧的。

若是第二种方式拿到了一个描述符，则说明该共享内存一定是新的。

所以我们用第二种组合方式来创建共享内存，用第一种组合方式来找到一个共享内存。

共享内存创建好后，我们是可以通过ipcs命令来进行查询的：

 ipcs命令选项介绍：

• -q：列出消息队列相关信息。
• -m：列出共享内存相关信息。
• -s：列出信号量相关信息。

不加选项默认全部列出：

 图中每列信息如下：

标题	含义
key	系统区别各个共享内存的唯一标识
shmid	共享内存的用户层id（句柄）
owner	共享内存的拥有者
perms	共享内存的权限
bytes	共享内存的大小
nattch	关联共享内存的进程数
status	共享内存的状态

现在我们编写一个简单的程序来创建一个共享内存，并打印出它的key和描述符：

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>const char* pathname = "/home/sxk/linux2/24_6_6";
int proj_id = 0x66;int main()
{//得出keykey_t key = ftok(pathname,proj_id);if(key < 0){perror("ftok");}//创建共享内存int shmid = shmget(key,4096,IPC_CREAT);if(shmid < 0){perror("shmget");}//打印出共享内存的key和shmidprintf("key:   %x\n",key);printf("shmid: %d\n",shmid);sleep(10);return 0;
}

运行结果：

 共享内存的释放：

先介绍一个共享内存的重要特性：

共享内存不随程序的结束而释放。

 所以，当我们的程序结束后共享内存仍然存在：

如果想要释放这个共享内存有两种方法：

1.使用 ipcrm -m 描述符  指令来删除指定的共享内存

2.在代码中使用shmctl函数：

shmctl函数参数选项介绍： 

• 第一个参数shmid，表示所控制共享内存的用户级标识符。
• 第二个参数cmd，表示具体的控制动作。
• 第三个参数buf，用于获取或设置所控制共享内存的数据结构

shmctl函数的返回值说明：

• shmctl调用成功，返回0。
• shmctl调用失败，返回-1。

第二个参数cmd常用的几个选项如下：

选项	作用
IPC_STAT	获取共享内存的当前关联值，此时参数buf作为输出型参数
IPC_SET	在进程有足够权限的前提下，将共享内存的当前关联值设置为buf所指的数据结构中的值
IPC_RMID	删除共享内存段

修改之前的代码，创建共享内存2秒后删除共享内存：

共享内存的关联： 

 共享内存在物理空间创建好后，还需将物理内存的地址与进程的虚拟地址空间中的共享区的地址，通过页表映射建立联系，这样之后进程才能访问这片共享内存。

通过shmat函数来建立映射关系

shmat函数的参数说明：

• 第一个参数shmid，表示待关联共享内存的用户级标识符。
• 第二个参数shmaddr，指定共享内存映射到进程地址空间的某一地址，通常设置为NULL，表示让内核自己决定一个合适的地址位置。
• 第三个参数shmflg，表示关联共享内存时设置的某些属性。

shmat函数的返回值说明：

• shmat调用成功，返回共享内存映射到进程地址空间中的起始地址。
• shmat调用失败，返回(void*)-1。

其中，作为shmat函数的第三个参数传入的常用的选项有以下三个：

选项	作用
SHM_RDONLY	关联共享内存后只进行读取操作
SHM_RND	若shmaddr不为NULL，则关联地址自动向下调整为SHMLBA的整数倍。公式：shmaddr-(shmaddr%SHMLBA)
0	默认为读写权限

 共享内存的去关联：

使用shmdt函数来去关联：

shmat函数参数介绍：

• shmaddr：表示需要去关联的共享内存

shmat函数的返回值：

• 若去关联成功， 则返回0
• 若去关联失败， 则返回-1

用共享内存实现serve&client通信：

serve端负责创建共享内存，并收消息，client，负责发消息。

serve.cc：

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>const char* pathname = "/home/sxk/linux2/24_6_6";
int proj_id = 0x66;int main()
{//得出keykey_t key = ftok(pathname,proj_id);if(key < 0){perror("ftok");}//创建共享内存int shmid = shmget(key,4096,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);if(shmid < 0){perror("shmget");}//打印出共享内存的key和shmidprintf("key:   %x\n",key);printf("shmid: %d\n",shmid);sleep(5);//与共享内存关联char* msg = (char*)shmat(shmid,NULL,0);if(msg == (void*)-1){perror("shmat");}//开始读消息std::cout<<"serve begin read msg :"<<std::endl;while(1){std::cout<<msg<<std::endl;sleep(1);}//读完，去关联int n = shmdt(msg);if(n < 0){perror("shmdt");}//释放共享内存int t = shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);if(t < 0){perror("shmctl");}return 0;
}

client.cc:

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>const char* pathname = "/home/sxk/linux2/24_6_6";
int proj_id = 0x66;int main()
{//获取keykey_t key = ftok(pathname,proj_id);if(key < 0){perror("ftok");}//获取共享内存int shmid = shmget(key,4096,IPC_CREAT);if(shmid < 0){   perror("shmget");}//与共享内存关联指定shmid,不指定地址起始位置,读写权限char* msg = (char*)shmat(shmid,NULL,0);if(msg == (void*)-1){  perror("shmat");}//开始发送消息char a = 'A';int i = 0;while(a < 'Z'){msg[i] = a + i;i++;sleep(1);}//发送完毕，去关联int t = shmdt(msg);if(t < 0 ){perror("shmdt");}return 0;
}

运行结果：

 system V消息队列：

消息队列基本原理：

消息队列实际上就是在系统当中创建了一个队列，队列当中的每个成员都是一个数据块，这些数据块都由类型和信息两部分构成，两个互相通信的进程通过某种方式看到同一个消息队列，这两个进程向对方发数据时，都在消息队列的队尾添加数据块，这两个进程获取数据块时，都在消息队列的队头取数据块。

总结一下：

1. 消息队列提供了一个从一个进程向另一个进程发送数据块的方法。
2. 每个数据块都被认为是有一个类型的，接收者进程接收的数据块可以有不同的类型值。
3. 和共享内存一样，消息队列的资源也必须自行删除，否则不会自动清除，因为system V IPC资源的生命周期是随内核的。

消息队列数据结构：

当然，系统当中也可能会存在大量的消息队列，系统一定也要为消息队列维护相关的内核数据结构。

消息队列的数据结构如下：

struct msqid_ds {struct ipc_perm msg_perm;struct msg *msg_first;      /* first message on queue,unused  */struct msg *msg_last;       /* last message in queue,unused */__kernel_time_t msg_stime;  /* last msgsnd time */__kernel_time_t msg_rtime;  /* last msgrcv time */__kernel_time_t msg_ctime;  /* last change time */unsigned long  msg_lcbytes; /* Reuse junk fields for 32 bit */unsigned long  msg_lqbytes; /* ditto */unsigned short msg_cbytes;  /* current number of bytes on queue */unsigned short msg_qnum;    /* number of messages in queue */unsigned short msg_qbytes;  /* max number of bytes on queue */__kernel_ipc_pid_t msg_lspid;   /* pid of last msgsnd */__kernel_ipc_pid_t msg_lrpid;   /* last receive pid */
};

可以看到消息队列数据结构的第一个成员是msg_perm，它和shm_perm是同一个类型的结构体变量，ipc_perm结构体的定义如下：

struct ipc_perm{__kernel_key_t  key;__kernel_uid_t  uid;__kernel_gid_t  gid;__kernel_uid_t  cuid;__kernel_gid_t  cgid;__kernel_mode_t mode;unsigned short  seq;
};

消息队列的创建：

创建消息队列我们需要用msgget函数：

msgget函数参数介绍：

key：表示带创建消息队列在系统的唯一标识。（跟共享内存差不多）

msgflg：和shmget的第三个参数一样。

msgget函数返回值介绍：

创建消息队列成功则返回该消息队列的描述符。（用户级）

消息队列的释放：

释放消息队列我们需要用msgctl函数：

msgctl和shmctl用法基本相同。

向消息队列发送数据：

向消息队列发送数据我们需要用msgsnd函数：

msgsnd函数的参数说明：

• 第一个参数msqid，表示消息队列的用户级标识符。
• 第二个参数msgp，表示待发送的数据块。
• 第三个参数msgsz，表示所发送数据块的大小
• 第四个参数msgflg，表示发送数据块的方式，一般默认为0即可。

msgsnd函数的返回值说明：

• msgsnd调用成功，返回0。
• msgsnd调用失败，返回-1。

其中msgsnd函数的第二个参数必须为以下结构：

struct msgbuf{long mtype;       /* message type, must be > 0 */char mtext[1];    /* message data */
};

注意： 该结构当中的第二个成员mtext即为待发送的信息，当我们定义该结构时，mtext的大小可以自己指定。

从消息队列获取数据：

从消息队列获取数据我们需要用msgrcv函数：

msgrcv函数的参数说明：

• 第一个参数msqid，表示消息队列的用户级标识符。
• 第二个参数msgp，表示获取到的数据块，是一个输出型参数。
• 第三个参数msgsz，表示要获取数据块的大小
• 第四个参数msgtyp，表示要接收数据块的类型。

msgrcv函数的返回值说明：

• msgsnd调用成功，返回实际获取到mtext数组中的字节数。
• msgsnd调用失败，返回-1。

system信号量:

信号量相关概念:

由于进程要求共享资源，而且有些资源需要互斥使用，因此各进程间竞争使用这些资源，进程的这种关系叫做进程互斥。

系统中某些资源一次只允许一个进程使用，称这样的资源为临界资源或互斥资源。

在进程中涉及到临界资源的程序段叫临界区。

IPC资源必须删除，否则不会自动删除，因为system V IPC的生命周期随内核。

信号量数据结构:

在系统当中也为信号量维护了相关的内核数据结构:

struct semid_ds {struct ipc_perm sem_perm;       /* permissions .. see ipc.h */__kernel_time_t sem_otime;      /* last semop time */__kernel_time_t sem_ctime;      /* last change time */struct sem  *sem_base;      /* ptr to first semaphore in array */struct sem_queue *sem_pending;      /* pending operations to be processed */struct sem_queue **sem_pending_last;    /* last pending operation */struct sem_undo *undo;          /* undo requests on this array */unsigned short  sem_nsems;      /* no. of semaphores in array */
};

信号量数据结构的第一个成员也是ipc_perm类型的结构体变量，ipc_perm结构体的定义如下：

struct ipc_perm{__kernel_key_t  key;__kernel_uid_t  uid;__kernel_gid_t  gid;__kernel_uid_t  cuid;__kernel_gid_t  cgid;__kernel_mode_t mode;unsigned short  seq;
};

信号量集的创建：

创建信号量集我们需要用semget函数： 

创建信号量集也需要使用ftok函数生成一个key值，这个key值作为semget函数的第一个参数。

semget函数的第二个参数nsems，表示创建信号量的个数。

semget函数的第三个参数，与创建共享内存时使用的shmget函数的第三个参数相同。

信号量集创建成功时，semget函数返回的一个有效的信号量集标识符（用户层标识符）。
信号量集的删除

 信号量集的删除：

 删除信号量集我们需要用semctl函数：

 信号量集的操作：

 对信号量集进行操作我们需要用semop函数：

进程互斥 

进程间通信通过共享资源来实现，这虽然解决了通信的问题，但是也引入了新的问题，那就是通信进程间共用的临界资源，若是不对临界资源进行保护，就可能产生各个进程从临界资源获取的数据不一致等问题。

保护临界资源的本质是保护临界区，我们把进程代码中访问临界资源的代码称之为临界区，信号量就是用来保护临界区的，信号量分为二元信号量和多元信号量。

信号量本质是一个计数器，在二元信号量中，信号量的个数为1（相当于将临界资源看成一整块），二元信号量本质解决了临界资源的互斥问题，以下面的伪代码进行解释： 

 根据以上代码，当进程A申请访问共享内存资源时，如果此时sem为1（sem代表当前信号量个数），则进程A申请资源成功，此时需要将sem减减，然后进程A就可以对共享内存进行一系列操作，但是在进程A在访问共享内存时，若是进程B申请访问该共享内存资源，此时sem就为0了，那么这时进程B会被挂起，直到进程A访问共享内存结束后将sem加加，此时才会将进程B唤起，然后进程B再对该共享内存进行访问操作。

在这种情况下，无论什么时候都只会有一个进程在对同一份共享内存进行访问操作，也就解决了临界资源的互斥问题。

实际上，代码中计数器sem减减的操作就叫做P操作，而计数器加加的操作就叫做V操作，P操作就是申请信号量，而V操作就是释放信号量。

感谢阅读！

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