【Linux】Linux进程间通信（四）

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system V进程间通信

System V消息队列

消息队列的基本原理

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。

其中消息队列当中的某一个数据块是由谁发送给谁的，取决于数据块的类型。

总结一下：

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。
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。
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;
};

记录一下：

共享内存的数据结构msqid_ds和ipc_perm结构体分别在/usr/include/linux/msg.h和/usr/include/linux/ipc.h中定义。

消息队列的创建

创建消息队列我们需要用msgget函数，msgget函数的函数原型如下：

int msgget(key_t key, int msgflg);

说明一下：

创建消息队列也需要使用ftok函数生成一个key值，这个key值作为msgget函数的第一个参数。
msgget函数的第二个参数，与创建共享内存时使用的shmget函数的第三个参数相同。
消息队列创建成功时，msgget函数返回的一个有效的消息队列标识符（用户层标识符）

消息队列的释放

释放消息队列我们需要用msgctl函数，msgctl函数的函数原型如下：

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

说明一下：
msgctl函数的参数与释放共享内存时使用的shmctl函数的三个参数相同，只不过msgctl函数的第三个参数传入的是消息队列的相关数据结构。

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函数的函数原型如下：

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

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函数的函数原型如下：

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

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 V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。

信号量的数据结构如下：

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;
};

记录一下：
共享内存的数据结构msqid_ds和ipc_perm结构体分别在/usr/include/linux/sem.h和/usr/include/linux/ipc.h中定义。

信号量相关函数

信号量集的创建

创建信号量集我们需要用semget函数，semget函数的函数原型如下：

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

说明一下：

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

删除信号量集我们需要用semctl函数，semctl函数的函数原型如下：

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

信号量集的操作

对信号量集进行操作我们需要用semop函数，semop函数的函数原型如下：

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

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。

比如当前有一块大小为100字节的资源，我们若是一25字节为一份，那么该资源可以被分为4份，那么此时这块资源可以由4个信号量进行标识。

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。

system V IPC联系

通过对system V系列进程间通信的学习，可以发现共享内存、消息队列以及信号量，虽然它们内部的属性差别很大，但是维护它们的数据结构的第一个成员确实一样的，都是ipc_perm类型的成员变量。

这样设计的好处就是，在操作系统内可以定义一个struct ipc_perm类型的数组，此时每当我们申请一个IPC资源，就在该数组当中开辟一个这样的结构。

也就是说，在内核当中只需要将所有的IPC资源的ipc_perm成员组织成数组的样子，然后用切片的方式获取到该IPC资源的起始地址，然后就可以访问该IPC资源的每一个成员了。

总结：

今天我们继续学习了Linux进程间通信的相关知识，了解了system V进程间通信等 。接下来，我们将继续学习Linux的其他知识。希望我的文章和讲解能对大家的学习提供一些帮助。

当然，本文仍有许多不足之处，欢迎各位小伙伴们随时私信交流、批评指正！我们下期见~