Linux 系统下的进程间通信 IPC 入门 上

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IPC 是系统内进程间同步通信机制，Linux 下提供的 IPC 机制通常包含几种资源：消息队列、信号量、共享内存等，IPC 的实现依赖这些资源的使用。想要访问控制 IPC 资源需要先申请资源，资源可能已被其它进程创建，如果未创建则需要创建，每个资源对应一个唯一的 id。申请任何资源之前，需要先准备好各个进程间公认的唯一 IPC key。

下面基于 System V 库介绍 IPC 所有相关 API 和基本应用。

#include <sys/ipc.h>
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

通过 ftok() 计算 IPC key，ftok 可理解为 convert filepath to key。pathname 为文件系统下任一已存在的文件路径，proj_id 为自定义的各个进程间公认的唯一工程 id 值。pathname 统一的情况下，proj_id 就唯一决定 IPC key 的异同。

然后通过 IPC key 申请资源：

#include <sys/msg.h>
int msgget(key_t key, int msgflg);              // 消息队列
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);   // 信号量
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg); // 共享内存

通过 msgget()、semget()、shmget() 分别获取消息队列 id、信号量 id、共享内存 id，再通过这些 id 访问控制对应的 IPC 资源。IPC key 唯一确定资源 id 值。

最佳实践：在各个进程里，会定义同一个 pathname，一般取根目录 /，并且用同一张枚举表定义 proj_id，最终每个 proj_id 就唯一对应一个 IPC 资源和 id。

消息队列

消息队列发送数据的效率要比共享内存要快，但是长度有限制。默认情况下，在 Linux 中 System V 消息队列单条消息最大长度为 8192 Bytes，单个消息队列资源最大空间为 16384 Bytes，系统范围内最多申请的消息队列数量为 32000 个。如果需要修改限制值，可以按顺序分别参考下面的几个内核文件:

/proc/sys/kernel/msgmax
/proc/sys/kernel/msgmnb
/proc/sys/kernel/msgmni

当然内核参数不是随意修改的，默认的基本能应付绝大部分应用场景了。控制或者状态类型的数据适合用消息队列传输。

通过 msgget() 申请消息队列，参数 key 指定 IPC key。参数 semflg 指定标志，0666 表示操作权限全部用户可读写。

int msgid = msgget(key, IPC_CREAT | 0666);
if (msgid == -1) {
    printf("msgget %s", strerror(errno));
}

申请到消息队列资源后，通过 msgget() 返回的 id 去收发消息，发送消息使用 msgsnd()，接收消息队列的数据使用 msgrcv()。

#include <sys/msg.h>

int msgsnd(int msqid, const void msgp[.msgsz],
            size_t msgsz, int msgflg);

ssize_t msgrcv(int msqid, void msgp[.msgsz],
                size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);

收发消息队列数据需要自定义类似下面的结构体类型用于存储数据：

typedef struct
{
    int     mtype;
    char    data[n];
} msg_t;

成员 mtype 用于自定义表示消息类型，成员 data 数组存储实际消息数据，data 的元素数量之所以为 n，是因为发送消息时消息数据长度是不定的，需要根据实际数据长度而定。最佳实践：一般定义结构体类型 msg_t 时把 n 替换成 0。

发送消息

使用 msgsnd() 往消息队列发送数据前，依据消息数据和消息类型的实际长度大小（假设为 MAX_SIZE + sizeof(int)）从系统申请内存空间，使用前把内存空间强制转换成类型 msg_t 并填充将要发送的数据：

msg_t *msgbuf = NULL;
msgbuf = (msg_t*)malloc(MAX_SIZE + sizeof(int));
memset(msgbuf, 0, MAX_SIZE + sizeof(int));
msgbuf->mtype = type;
msgsnd(msgid, msgbuf, MAX_SIZE, IPC_NOWAIT);

msgsnd() 的 msgsz 参数表示消息数据 msg_t.data 的大小，不包含 msg_t.mtype。默认情况下，消息队列的剩余空间不足以发送数据时，msgsnd() 会阻塞，除非 msgflg 被指定为 IPC_NOWAIT 并返回错误。错误可通过宏 errno 获取，如要转换成文本信息

#include <string.h>
#include <errno.h>
printf("Error: %s\n", strerror(errno));

接收消息

使用 msgrcv() 从消息队列中提取数据，并从队列移除。接收数据的类型同样是类似于 msg_t 的类型，参数 msgsz 表示 msg_t.data 的最大长度（假设为 MAX_SIZE），接收前依据消息数据和消息类型的最大长度（假设为 MAX_SIZE + sizeof(int)）从系统申请内存空间，接收时 msgrcv() 将提取的数据存入内存空间，解析接收数据时把内存空间强制转换成类型 msg_t：

msg_t *msgbuf = NULL;
msgbuf = (msg_t*)malloc(MAX_SIZE + sizeof(int));
memset(msgbuf, 0, MAX_SIZE + sizeof(int));
msgrcv(msgid, msgbuf, MAX_SIZE, 0, 0);

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