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??前言

在 System V 通信標準中，還有一種通信方式：消息隊列，以及一種實現(xiàn)互斥的工具：信號量；隨著時代的發(fā)展，這些陳舊的標準都已經(jīng)較少使用了，但作為 IPC 中的經(jīng)典知識，我們可以對其做一個簡單了解，擴展 IPC 的知識棧，尤其是 信號量，可以通過它，為以后多線程學習中 POSIX 信號量的學習做鋪墊

???正文

1、消息隊列

1.1、什么是消息隊列？

消息隊列（Message Queuing）是一種比較特殊的通信方式，它不同于管道與共享內(nèi)存那樣借助一塊空間進行數(shù)據(jù)讀寫，而是 在系統(tǒng)中創(chuàng)建了一個隊列，這個隊列的節(jié)點就是數(shù)據(jù)塊，包含類型和信息

• 假設(shè)現(xiàn)在進程 A、B 想要通過消息隊列進行通信，首先創(chuàng)建一個消息隊列
• 然后進程 A 將自己想要發(fā)送給進程 B 的信息打包成數(shù)據(jù)塊（其中包括發(fā)送方的信息），將數(shù)據(jù)塊添加至消息隊列隊尾處
• 進程 B 同樣也可以向消息隊列中添加數(shù)據(jù)塊，同時也會從消息隊列中捕獲其他進程的數(shù)據(jù)塊，解析后進行讀取，這樣就完成了通信

遍歷消息隊列時，存數(shù)據(jù)塊 還是 取數(shù)據(jù)塊 取決于 數(shù)據(jù)塊中的類型 type

注意：消息隊列跟共享內(nèi)存一樣，是由操作系統(tǒng)創(chuàng)建的，其生命周期不隨進程，因此在使用結(jié)束后需要刪除

因為消息隊列比陳舊且較少使用了，所以這里就不詳細講解原理，關(guān)于消息隊列更詳細的介紹可以看看這兩篇文章：

• 《什么是消息隊列》
• 《消息隊列詳解》

1.2、消息隊列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

同屬于 System V 標準，消息隊列也有屬于自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

注：msg 表示 消息隊列

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 in queue (nonstandard) */
	msgqnum_t msg_qnum;			/* Current number of messages in queue */
	msglen_t msg_qbytes;		/* Maximum number of bytes allowed in queue */
	pid_t msg_lspid;			/* PID of last msgsnd(2) */
	pid_t msg_lrpid;			/* PID of last msgrcv(2) */
};

和 共享內(nèi)存 一樣，其中 struct ipc_perm 中存儲了 消息隊列的基本信息，具體包含內(nèi)容如下：

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 */
};

可以通過 man msgctl 查看函數(shù)使用手冊，其中就包含了 消息隊列 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息

1.3、消息隊列的相關(guān)接口

論標準的重要性，消息隊列的大小接口風格與共享內(nèi)存一致，都是出自 System V 標準

1.3.1、創(chuàng)建

使用 msgget 函數(shù)創(chuàng)建 消息隊列

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

int msgget(key_t key, int msgflg);

關(guān)于 msgget 函數(shù)

與 共享內(nèi)存 的 shmget 可以說是十分相似了，關(guān)于 ftok 函數(shù)計算 key 值，這里就不再闡述，可以在這篇文章中學習 《Linux進程間通信【共享內(nèi)存】》

簡單使用函數(shù) msgget 創(chuàng)建 消息隊列，并使用 ipcs -q 指令查看資源情況

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

using namespace std;

int main()
{
    //創(chuàng)建消息隊列
    int n = msgget(ftok("./", 668), IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
    if(n == -1)
    {
        cerr << "msgget fail!" << endl;
        exit(1);
    }
    return 0;
}

程序運行后，創(chuàng)建出了一個 msqid 為 0 的消息隊列

因為此時并 沒有使用消息隊列進行通信，所以已使用字節(jié) used-bytes 和 消息數(shù) messages 都是 0

注意：

• 消息隊列在創(chuàng)建時，也需要指定創(chuàng)建方式：IPC_CREAT、IPC_EXCL、權(quán)限 等信息
• 消息隊列創(chuàng)建后，msqid也是隨機生成的，大概率每次都不一樣
• 消息隊列生命周期也是隨操作系統(tǒng)的，并不會因進程的結(jié)束而釋放

1.3.2、釋放

消息隊列也有兩種釋放方式：通過指令釋放、通過函數(shù)釋放

釋放指令：ipcrm -q msqid 釋放消息隊列，其他 System V 通信資源也可以這樣釋放

• ipcrm -m shmid 釋放共享內(nèi)存
• ipcrm -s semid 釋放信號量集

釋放函數(shù)：msgctl(msqid, IPC_RMID, NULL) 釋放指定的消息隊列，跟 shmctl 刪除共享內(nèi)存一樣

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

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

關(guān)于 msgctl 函數(shù)

簡單回顧下參數(shù)2部分可傳遞參數(shù)：

• IPC_RMID 表示刪除共享內(nèi)存
• IPC_STAT 用于獲取或設(shè)置所控制共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
• IPC_SET 在進程有足夠權(quán)限的前提下，將共享內(nèi)存的當前關(guān)聯(lián)值設(shè)置為 buf 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的值

同樣的，消息隊列 = 消息隊列的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（struct msqid_ds） + 真正開辟的空間

1.3.3、發(fā)送

利用消息隊列發(fā)送信息，即 將信息打包成數(shù)據(jù)塊，入隊尾，所使用函數(shù)為 msgsnd

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

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

關(guān)于 msgsnd 函數(shù)

參數(shù)2 表示待發(fā)送的數(shù)據(jù)塊，這顯然是一個結(jié)構(gòu)體類型，需要自己定義，結(jié)構(gòu)如下：

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

mtype 就是傳說中數(shù)據(jù)塊類型，據(jù)發(fā)送方而設(shè)定；mtex 是一個比較特殊的東西：柔性數(shù)組，其中存儲待發(fā)送的 信息，因為是 柔性數(shù)組，所以可以根據(jù) 信息 的大小靈活調(diào)整數(shù)組的大小

關(guān)于 柔性數(shù)組 的詳細介紹可以看看這篇文章 《C語言進階——動態(tài)內(nèi)存管理》

1.3.4、接收

消息發(fā)送后，總得接收吧，既然發(fā)送是往隊尾中添加數(shù)據(jù)塊，那么接收就是 從隊頭中取數(shù)據(jù)塊，假設(shè)所取數(shù)據(jù)塊為自己發(fā)送的，那么就不進行操作，其他情況則取出數(shù)據(jù)塊，使用 msgrcv 函數(shù)接收信息

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

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

關(guān)于 msgrcv 函數(shù)

同樣的，接收的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下所示，也包含了 類型 和 柔性數(shù)組

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

1.4、消息隊列小結(jié)

消息隊列 的大部分接口都與 共享內(nèi)存 近似，所以掌握 共享內(nèi)存 后，即可快速上手 消息隊列

但是如你所見，System V 版的 消息隊列 使用起來比較麻煩，并且過于陳舊，現(xiàn)在已經(jīng)較少使用了，所以我們不必對其進行深究，知道個大概就行了，如果實際中真遇到了，再查文檔也不遲

2、信號量

2.1、什么是信號量？

信號量（semaphore）一種特殊的工具，主要用于實現(xiàn) 同步和互斥

信號量 又稱 信號燈，是各大高校《操作系統(tǒng)》課程中老師提及的高頻知識點，往往伴隨著 P、V 操作出現(xiàn)，但大多數(shù)老師都只是提及了基本概念，并未對 信號量 的本質(zhì)及使用場景作出詳細講解

在正式學習 信號量 相關(guān)知識前，需要先簡單了解下 互斥相關(guān)四個概念，為后續(xù) 多線程中信號量的學習作鋪墊（重點）

2.2、互斥相關(guān)概念

1、并發(fā) 是指系統(tǒng)中同時存在多個獨立的活動單元

• 比如在多線程中，多個執(zhí)行流可以同時執(zhí)行代碼，可能訪問同一份共享資源

2、互斥 是指同一時刻只允許一個活動單元使用共享資源

• 即在任何一個時刻，都只允許一個執(zhí)行流進行共享資源的訪問（可以通過加鎖實現(xiàn)）

3、臨界資源 與 臨界區(qū)，多執(zhí)行流環(huán)境中的共享資源就是 臨界資源，涉及 臨界資源 操作的代碼區(qū)間即 臨界區(qū)

• 在多線程環(huán)境中，全局變量就是 臨界資源，對全局變量的修改、訪問代碼屬于 臨界區(qū)

4、原子性：只允許存在 成功 和 失敗 兩種狀態(tài)

• 比如對變量的修改，要么修改成功，要么修改失敗，不會存在修改一半被切走的狀態(tài)

所以 互斥 是為了解決 臨界資源 在多執(zhí)行流環(huán)境中的并發(fā)訪問問題，需要借助 互斥鎖 或 信號量 等工具實現(xiàn) 原子操作，實現(xiàn) 互斥

關(guān)于互斥鎖（mutex） 的相關(guān)知識在 多線程 中介紹，現(xiàn)在先來學習 信號量，搞清楚它是如何實現(xiàn) 互斥 的

2.3、信號量的感性理解

將整個程序看作現(xiàn)實世界，形色各異的人看作 執(zhí)行流，電影院 等公共資源看作 臨界區(qū)，而單場電影的電影票看作 臨界資源，主角 信號量 就是電影院中單場電影余票的 計數(shù)器，即余票越多，計數(shù)器值越大，當有人買票時，計數(shù)器 -1，當有人看完電影時，計數(shù)器 +1

當電影票賣完時，計數(shù)器歸零，其他想看電影的人也無法購票觀看本場電影

下面這些情況應運而生：

1. 當你購票成功后，計數(shù)器 -1，你必然可以去看這場電影，其他人也無法與你爭奪，因為那個位置當電影放映之時就是屬于你一個人的
2. 如果你買票晚了，票已告罄，計數(shù)器為 0，你就無法購票觀看這場電影，即使自己偷偷溜進去也不行，會被保安叉出去，這是規(guī)定
3. 得益于計數(shù)器的控制，電影院在放映電影時，有效劃分了電影票這個 臨界資源 的所屬權(quán)限，從而保證了在電影放映時，絕對不會發(fā)生位置沖突、位置爆滿、非法闖入等各種情況

信號量 的設(shè)計初衷也是如此，就是為了避免 因多執(zhí)行流對臨界資源的并發(fā)訪問，而導致程序運行出現(xiàn)問題

因為電影院一次能容納幾十個人，所以可能不太好理解 互斥 這個概念，將場景特殊化，現(xiàn)在有一個 頂級VIP放映室，每天飲料零食隨便吃，但 一次只允許一個人看電影，與普通電影院一樣，這個 頂級VIP放映室 也有自己的售票系統(tǒng)，其本質(zhì)同樣是 計數(shù)器，但此時 計數(shù)器初始值為 1

所以：當一群人都想進這個頂級VIP放映室看電影時，必須等到 計數(shù)器 為 1 時，才能進行搶票，才有資格進去看電影，當然一次只能放一個人進去，同時計數(shù)器是否恢復 1，取決于上一個看電影的人是否出了放映室 -> 看電影結(jié)束 -> 計數(shù)器 +1

規(guī)定：只允許一個人看電影

透過現(xiàn)象看本質(zhì)，在 頂級VIP看電影 不就是代碼中 多個執(zhí)行流對同一個臨界資源的互斥訪問嗎？ 此時的 信號量 可以設(shè)為 1，確保 只允許一個執(zhí)行流進行訪問，這種 信號量 被稱為 二元信號量，常用來實現(xiàn) 互斥

綜上所述，信號量本質(zhì)上就是 計數(shù)器 count，所謂的 P 操作（申請）就是在對 count--，V 操作（歸還）則是在對 count++

2.4、信號量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

下面來看看 信號量 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過 man semctl 進行查看

注：sem 表示 信號量

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 */
};

System V 家族基本規(guī)矩，struct ipc_perm 中存儲了 信號量的基本信息，具體包含內(nèi)容如下：

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 */
};

顯然，無論是 共享內(nèi)存、消息隊列、信號量，它們的 ipc_perm 結(jié)構(gòu)體中的內(nèi)容都是一模一樣的，結(jié)構(gòu)上的統(tǒng)一可以帶來管理上的便利，具體原因可以接著往下看

2.5、信號量的相關(guān)接口

2.5.1、創(chuàng)建

信號量的申請比較特殊，一次可以申請多個信息量，官方稱此為 信號量集，所使用函數(shù)為 semget

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

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

關(guān)于 semget 函數(shù)

除了參數(shù)2，其他基本與另外倆兄弟一模一樣，實際傳遞時，一般傳 1，表示只創(chuàng)建一個 信號量

使用函數(shù)創(chuàng)建 信號量集，并通過指令 ipcs -s 查看創(chuàng)建的 信號量集 信息

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

using namespace std;

int main()
{
    //創(chuàng)建一個信號量
    int n = semget(ftok("./", 668), 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
    if(n == -1)
    {
        cerr << "semget fail!" << endl;
        exit(1);
    }
    return 0;
}

程序運行后，創(chuàng)建了一個 信號量集，nsems 為 1，表示在當前 信號量集 中只有一個 信號量

注意：

• 信號量集在創(chuàng)建時，也需要指定創(chuàng)建方式：IPC_CREAT、IPC_EXCL、權(quán)限 等信息
• 信號量集創(chuàng)建后，semid也是隨機生成的，大概率每次都不一樣
• 信號量集生命周期也是隨操作系統(tǒng)的，并不會因進程的結(jié)束而釋放

2.5.2、釋放

老生常談的兩種釋放方式：指令釋放、函數(shù)釋放

指令釋放：直接通過指令 ipcrm -s semid 釋放信號量集

通過函數(shù)釋放：semctl(semid, semnum, IPC_RMID)，信號量中的控制函數(shù)有一點不一樣

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

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

關(guān)于 semctl 函數(shù)

注意：

• 參數(shù)2 表示信號量集中的某個信號量編號，從 1 開始編號
• 參數(shù)3 中可傳遞的動作與共享內(nèi)存、消息隊列一致
• 參數(shù)4 就像 printf 和 scanf 中最后一個參數(shù)一樣，可以靈活使用

2.5.3、操作

信號量的操縱比較ex，也比較麻煩，所以僅作了解即可

使用 semop 函數(shù)對 信號量 進行諸如 +1、-1 的基本操作

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

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

關(guān)于 semop 函數(shù)

重點在于參數(shù)2，這是一個結(jié)構(gòu)體，具體成員如下：

unsigned short sem_num;  /* semaphore number */
short          sem_op;   /* semaphore operation */
short          sem_flg;  /* operation flags */

其中包含信號量編號、操作等信息，需要我們自己設(shè)計出一個結(jié)構(gòu)體，然后傳給 semop 函數(shù)使用

可以簡單理解為：sem_op 就是要進行的操作，如果將 sem_op 設(shè)為 -1，表示信號量 -1（申請），同理 +1 表示信號量 +1（歸還）

sem_flg 是設(shè)置動作，一般設(shè)為默認即可

當然這些函數(shù)我們不必深入去研究，知道個大概就行了

2.6、信號量小結(jié)

信號量 是實現(xiàn) 互斥 的其中一種方法，具體表現(xiàn)為：資源申請，計數(shù)器 -1，資源歸還，計數(shù)器 +1，只有在計數(shù)器不為 0 的情況下，才能進行資源申請，可以設(shè)計 二元信號量 實現(xiàn) 互斥

System V 中的 信號量 操作比較麻煩，但 信號量 的思想還是值得一學的，等后面學習 多線程 時，也會使用 POSIX 中的 信號量 實現(xiàn) 互斥，相比之下，POSIX 版的信號量操作要簡單得多，同時應用也更為廣泛

因為 信號量 需要被多個獨立進程看到，所以 信號量 本身也是 臨界資源，不過它是 原子 的，所以可以用于 互斥

• 多個獨立進程看到同一份資源，這就是 IPC 的目標，所以 信號量 被劃分至進程間通信中

3、深入理解 System V 通信方式

不難發(fā)現(xiàn)，共享內(nèi)存、消息隊列、信號量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本一致，并且都有同一個成員 struct ipc_perm，所以實際對于 操作系統(tǒng) 來說，對 System V 中各種方式的描述管理只需要這樣做：

• 將 共享內(nèi)存、消息隊列、信號量對象描述后，統(tǒng)一存入數(shù)組中
• 再進行指定對象創(chuàng)建時，只需要根據(jù) ipc_id_arr[n]->__key 進行比對，即可當前對象是否被創(chuàng)建！
• 因為 struct shmid_ds 與 struct ipc_perm shm_perm 的地址一致（其他對象也一樣），所以可以對當前位置的指針進行強轉(zhuǎn)：((struct shmid_ds)ipc_id_arr[0]) 即可訪問 shmid_ds 中的成員，這不就是多態(tài)中的虛表嗎？

這樣一來，操作系統(tǒng)可以只根據(jù)一個地址，靈活訪問 兩個結(jié)構(gòu)體中的內(nèi)容，比如 struct ipc_perm shm_perm 和 struct shmid_ds，并且操作系統(tǒng)還把多種不同的對象，描述融合入了一個 ipc_id_arr 指針數(shù)組中，真正做到了 高效管理

注：默認 ipc_id_arr[n] 訪問的是 struct ipc_perm 中的成員

注：上述圖示只是一個草圖，目的是為了輔助理解原理，并非操作系統(tǒng)中真實樣貌

操作系統(tǒng)在進行比較判斷時，如何判斷類型呢？

• 這就是操作系統(tǒng)設(shè)計的巧妙之處了，ipc_id_arr 沒那么簡單，它會存儲對象的相應類型信息

通過下標（id） 訪問對象，這與文件系統(tǒng)中的機制不謀而合，不過實現(xiàn)上略有差異，間接導致 System V 的管理系統(tǒng)被邊緣化（歷史選擇了文件系統(tǒng)）

shmid、msqid 和 semid 都是 ipc_id_arr 的下標，為什么值很大呢？

• 在進行查找時，會將這些 id % 數(shù)組大小 進行轉(zhuǎn)換，確保不會發(fā)生越界，事實上，這個值與開機時間有關(guān)，開機越長，值越大，當然到了一定程度后，會重新輪回

將內(nèi)核中的所有 ipc 資源統(tǒng)一以數(shù)組的方式進行管理

• 假設(shè)想訪問具體 ipc 中的資源，可以通過 ipc_id_arr[n] 強轉(zhuǎn)為對應類型指針，再通過 -> 訪問其中的其他資源

以上方法就是 多態(tài)，通過父類指針，訪問成員

??總結(jié)

以上就是本次關(guān)于 Linux 進程間通信【消息隊列、信號量】的全部內(nèi)容了，消息隊列和信號量相對來說不怎么重要，因此本文主要以理論為主，并未涉及很多實操代碼；本文中最重要的內(nèi)容莫過于理解 互斥 相關(guān)概念與 信號量 實現(xiàn)互斥的原理，最后關(guān)于操作系統(tǒng)對 System V 通信相關(guān)資源的封裝也算得上是精彩絕倫

文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-478644.html

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