**前言：**本节主要讲解消息队列， 信号量的相关知识。 ------博主主要是以能够理解为目的进行讲解， 所以对于接口的使用或者底层原理很少涉及。 主要的讲解思路就是先讨论消息队列的原理， 提一下接口。 然后讲解ipc的设计------这个设计一些底层原理。 最后就是会让友友们理解一下信号量的相关概念。
ps：本届内容设计共享内存， 友友们务必学完共享内存后再来观看哦
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消息队列的原理
本节讲述的消息队列是system V标准的。 我们知道的是， 我们的进程， 因为是用户写的代码， 有操作系统的task_struct以及地址空间， 所以它是在用户和操作系统之间的。 而消息队列，是属于内核的。那么这里就是下图的样子：
想要让上面两个进程a 和 b进行通信， 前提是，必须先让两个进程看到同一份资源！！！（这一句话是通信领域的结论， 地位就相当于管理层面的先描述再组织）
现在我们要知道的是这个同一份资源， 有可能是文件缓冲区， 有可能是内存块 。 所以，公共资源种类的不同， 决定了通信方式的不同。 其中，以文件的形式给我们一个文件缓冲区， 这就叫做管道。是否允许匿名，这个就叫做匿名管道；给我们一个内存块， 映射到地址空间， 这个就叫做共享内存；也可以给我一个队列， 这个队列就是我们在数据结构里面学到的那个队列， 也就是消息队列。 现在来谈这个队列。
这个队列， 如果我们想要让两个进程a，b能够进行通信。 就必须让两个进程看到同一个队列。 当两个不同进程看到同一个队列之后 ，我们知道， 两个进程想要通信， 就要能够将数据块入队列当中。 但是问题来了， 两个进程怎么保证， 能够拿到对方的数据块呢 ？这个是因为允许不同的进程能够向内核中发送不同类型的数据块。 这些数据块假如a进程的是a类型的数据块， b进程的假如是b类型的数据块。 那么a进程要获取b进程的通信， 就可以拿到消息队列里面的b类型的数据块。 所以， 综上， 消息队列是什么？------消息队列的原理就是：a进程， b进程以数据块的形式发送数据进行通信！！！
消息队列的接口
注：消息队列的接口不作为博主讲解的重点， 如果想要学习相关接口的友友自行去查阅相关资料哦。
msgget
里面的返回值是int类型。 成功返回，会返回一个消息队列标识符。 失败返回-1。------无需指明大小， 只需直接创建即可。 第二个参数是就是那个key（使用路径和项目id确定的唯一key）， 第三个参数就是创建消息队列的使用方式。
msgctl
这个函数是用来控制消息队列，这里不讲解这个接口的用法， 我们用这个接口和信号量的控制接口， 以及共享内存的控制接口来进行对比， 下面是信号量和共享内存的控制接口：
由上面三个函数我们就可以观察到， 我们的进程间通信， 是被精心设计过的， 无论是我们的共享内存 ， 还是我们的消息队列 ， 亦或者我们的信号量 。 他在内核层面上都有我们的semid_ds这样的结构， XXXid_ds结构体。 并且， 他们三个的XXXid_ds结构体里面第一个成员一定是struct_ipc_perm XXX_perm。并且， 这种结构体里面包含的字段全部都是一样的， 都是key还有各种权限。
ipc在内核里面的设计
在操作系统中， 所有的IPC资源， 都是整合进操作系统的IPC模块中的， 在以后的过程中， 我们管理共享内存， 管理消息队列， 管理信号量， 其实本质上就是管理下面这三种结构体：
那么我们如何把这些数据结构管理起来呢？在操作系统当中， 其实也是用数组管理的：
如果我们今天创建一个共享内存， 那么操作系统当中， 就要为我们创建shmid_fd这样的结构。 那么我们就要把shmid_ds的第一个字段填到数组的零号下标里面。
那么， 如果后来我们又创建了一个消息队列. 没关系， 虽然我们的struct_ds的类型不一样, 但是我们的结构体的第一个字段和上面的字段是一样的。 所以， 我们就把这个第一个字段的地址， 填到数组的二号下标里面。 同样的信号量. 所以， 从此往后， 我们要管理操作系统内部的不同的IPC资源要如何如何进行管理呢？------答案是先描述：对于不同的资源， 我们可以使用不同的描述的方式。 再组织， 我们可以对不同的资源进行增删查改， 最后转化为对该数组进行增删查改。
未来呢， 我们一个进程如果想要申请一个共享内存， 那么申请共享内存， 就会给我们一个key， 然后操作系统就会遍历这个数组， 找到每一个ipc资源， 比较key， 确认是否已经创建过共享内存。 ------其中的， 这里的每一个ipc_perm结构， 他对应的数组的下标， 就是我们所说的shmid或者XXXid！！！
那么， 我们如何利用这个数组元素访问XXXid_ds里面的其他字段 呢？------只需要强转一下我们的类型------((shmid_ds*)array[])->某个字段------但是问题来了， 它是怎么知道要强转成为哪一个类型呢？ipc_perm是操作系统在用户层做的让我们用户看到的属性， 但是内核层面上叫做kern_ipc_perm， 这个东西里面有mod， delete等等。 其中mod里面就有一个选项， 这个选项是一种类型标志位， 让代码去区分自己是哪一种ipc资源。------也就是说， 操作系统能够区分指针指向的对象的类型（事实上， 我们也可以， 就是在对象里面添加一个标志位即可）。
其中， 这个数组其实就是实现了多态！！！而其中的ipc_perm就是基类， 其他的字段就是子类。 指针数组指向了这些ipc_perm， 就是实现了多态。
这个数组是操作系统层面创建的数组， 和进程没有关系， 所以这个下标和文件描述符并不类似。 shmid这个下标是线性递增的。 就比如我们今天申请了这个资源， 释放掉， 下次再申请， 这个资源的数字会变大。 ------不会因为释放而减小。 但是不需要担心越界， 因为他是会发生回绕的， 但是我们的这个数组的下标永远是从零开始的， 只是在使用的时候会有一个起始计数器， 我们最后的shmid就会使用这个起始计数器加上我们的小标进行计算。
信号量
储备知识
理解信号量， 我们需要先有一些储备知识， 先回忆一下这一张图
这张图， 当a进程想要读取， b进程想要写入。 他们会不会发生错乱呢？ ------比如我们今天a进程想要给b进程发送100字节， 并且这100个字节是应该整体被读取的 。 但是如果这个时候a刚写了50个字节， b进程就过来读了， 那么b进程就可能把这50个字节先读走。 ------这就造成了一种情况，b进程只读取了a进程想要发给他的信息的一部分， 这就是数据不一致问题。
- 那么a和b看到的同一份资源， 我们叫做共享资源， 因为是共享的， 如果不加保护， 可能会导致数据不一致问题。
- 那么我们要如何保护呢？就要用到一种加锁的方式。通过加锁保证一种工作状态。------这就是互斥访问。即：任何时刻只允许一个执行流， 访问共享资源。 ------这种概念称之为互斥， 就比如我们去ATM机取钱， 我们一个人去取钱了， 其他人就不能够进去了。
- 共享资源是任何时刻只允许一个执行流访问（访问就是指的执行访问代码）的资源， 我们就叫做临界资源。管道就是临界资源， 但是临界资源一般是内存空间。
- 假设我们写了100行代码， 其中的5 ~ 10行在访问临界资源。 所以， 这些访问临界资源的代码， 就叫做临界区！！！
通过上面的讲解， 我们就能解释一个现象： 假如有五个进程在死循环的打印hello world。 为什么显示器上面的消息是：错乱的， 混乱的并且和命令行混在一起的。 ------这是因为我们在向显示器打印数据的时候， 是先向显示器文件的缓冲区中打印数据， 然后再将显示器文件的缓冲区的内容刷到显示器上面打印出来 。 这其中， 我们的进程，所有的进程都在向我们的显示器文件的缓冲区中打印数据， 很显然他们都能够看到我们的显示器文件， 那么我们的显示器文件就是一种共享资源。 而又因为我们的显示器文件没有保护机制， 那么多进程一起打印的时候， 就会发生数据不一致问题。 想要进行保护， 就要通过加锁互斥访问的形式变成临界资源！！！
理解信号量
那么如何理解信号量？信号量的本质， 其实就是一把计数器！类似于一个整数的的计数器：比如 int cn t------信号量是用来秒数临界资源中，资源数量的多少！！！
临界资源中的资源数量是什么意思？------就比如我们去看电影， 电影院有100个座位， 那么对应着就一定有100张电影票。当我们去看电影的时候， 如果我们买了票了， 但是没有去。那么此时电影院其实就是这么一个大的临界资源， 我们每一人对应每一个进程， 每一张票就代表着我们能够访问电影院里面的一个座位。 那么请问我们去看电影， 是我们做到这个座位上票是我的？ 还是我们将票买到了， 这个座位是我的？是不是我们将票买到了， 这个座位就是我的了呢？------所以，**买票的本质， 是对资源的预定机制！！！**对于电影院， 需要维护一个票数的计数器， 每卖出一张票， 我们的计数器就要减一， 放映厅里面的资源就会少一个！！！票数计数器到零之后， 资源已经被申请完毕了！！！ ------就如同下图：
这一块临界资源按照某个单位划分为一块一块的。 假如今天有一个执行流访问临界资源， 那么这个执行流可能只访问临界资源的一部分。
对于我们的临界资源， 如果今天有一个执行流想要访问临界资源， 那么他可能只访问其中的一部分。 我们对应的系统在临界资源的使用上， 我们可以让整个临界资源只被这一个执行流访问。但是这个执行流只访问临界资源其中的一块， 所以系统就可以只把这一块分配给这个执行流。 当又来了一个执行流的时候， 这个执行流也只是访问一块资源， 那么这个时候就没必要将整块资源全部锁住， 只需要将刚刚第一个执行流的资源锁住， 将那一块资源给第二个执行流就行了。 所以我们把临界资源拆成一小份， 前提是能够被拆成一小份， 并且每个执行流只使用一小份资源， 这种情况下， 我们就可以使得这两个执行流同时都进来访问。 这种情况可以提高多执行流访问临界资源的并发度， 一定程度上提高效率。
在这种情况下， 我们最怕的是， 多个执行流访问同一个资源， n个资源但是有n+个执行流。 排除我们分配资源的bug问题， 为了防止出现n个资源有n+个执行流的问题， 我们就会引入一个计数器：
int cnt = 15；（假如有15个资源）
int number = cnt--； （每申请一个资源就渐渐）
cnt <= 0; （小于等于0的时候资源没了， 不再分配资源， 直到有资源空出来了！）
那么， 经过上面的解释， 我们可以得出结论------
- 1、我只要申请计数器成功了， 就表示我具有访问资源的权限了！
- 2、申请了计数器资源， 就代表我当前要访问我的资源了吗？------并没有， 但是我们只要申请成功了， 并且没有释放， 那么这里面的资源就一定要有一个供我使用。------所以申请计数器资源的本质就是对资源的一种， 预定机制。
- 3、如果多个执行流全部都申请， 那么计数器减为零， 就不能申请了。------这个就说明计数器可以有效保证进入共享资源的执行流的数量。
- 4、所以每一个执行流想访问共享资源的时候， 不是直接访问， 而是先申请计数器资源， 就如同我们看电影需要先买票。
那么， 上面提这么多还是没有提到信号量， 但是其实我们一直都在说信号量------因为这个"计数器"就被成为信号量！！！
现在再来看这个问题， 如果电影放映厅里面只有一个座位呢？------是不是也就意味着， 我们只需要一个值为一的计数器。------那么如果有人想买票， 就需要先抢这个座位， 并且所有人中， 只有一个人能够抢到， 也就只有一个人能看电影。 在放电影期间， 只有一个执行流在访问临界资源。 ------这个概念叫做互斥。 我们把只能为一为零两态的计数器叫做二元信号量， 本质就是一个锁！！！
那么， 我们要访问临界资源， 先要申请计数器资源， 所以信号量计数器资源的本质， 不也就是共享资源吗？------所以， 刚刚我们举得例子当中的int本身就是一个临界资源， 而这个临界资源是用来保护我们的要访问的临界资源的， 但是我们的信号量在保证别人的前提下， 是不是也要保护自己是安全的？（因为数据不一致可能发生在计数器上面）------那么请问这个计数器临界资源减减的时候是不是安全的呢？------答案是不是的：cnt--在c语言上， 是一条语句， 但是变成汇编语言， 那么至少会变成多条汇编语句，我们知道cnt是保存在内存中的， 而cnt在--的时候要转移到cdu中进行计算， 那么减减操作就是:
1、首先cnt变量的内存从内存转移到cpu中的寄存器中。 2、在cpu内进行计算。 3、将计算结果写回cnt变量的内存位置。
但是这里有一个问题：就是进程在运行的时候， 可以随意的切换， 有可能在我们的三步执行过程之间的某一个邻接点的时候，这个进程就被切走了！！切走的时候， 多执行流都访问这个变量时， 就有可能让cnt减出问题， 比如多减了一下， 或者少减了一下。
所以， 我们的cnt不能随意地减减， 所以这里就有了一个概念------申请计数器， 本质是对计数器减减， 这个操作在信号量当中专门封装了一个方法， 就好比这个信号量类里面有一个计数器成员，申请的时候就有一个成员方法------申请信号量， 对信号量做减减， 这个操作就可以成为p操作。 ------释放资源， 就好比释放信号量， 本质是对计数器进行++操作。 并且这个操作表示归还资源， 因为加加资源变多了， 就表示归还资源。 归还资源， 其他进程就可以申请了， 这个操作， 就叫做v操作。 ------信号量的申请和释放， 就被我们叫做pv操作。 ------其中， 这些操作， 在汇编层面上就会将我们的语句c语句变成多条汇编语句， 所以多执行流调度的时候， 一定会已出现多执行流混合交叉的问题， 就可能这个变量出现问题。 ------所以， 这里就需要我们我们申请和释放的这个pv操作必须是原子的。 ------什么是原子的？ 在技术层面上来说， 如果一条语句转化为汇编语句， 只有一条汇编语句， 那么就是原子的。
所以， 通过以上的论述， 我们就能总结出一个结论。------就是对于信号量来说， 信号量本质就是一把计数器， 对于计数器匹配的操作， 就叫pv操作， 这个pv操作是原子的。 所有的执行流申请资源， 就必须先申请信号量资源， 得到信号量之后， 才能访问临界资源。 如果信号量的值为1/0两态的， 我们就称为二元信号量， 就是互斥。 其中， 我们申请信号量的本质， 就是对临界资源的预定机制！！！
信号量接口
信号量接口博主没有具体学习过， 这里不讲解具体， 只是提一下
其中第二个参数是申请多个信号量， 多个信号量和信号量是几， 是不一样的概念。
上面的参数中有一个结构体叫做sembuf， 这个结构体如下：
信号量与进程间通信
信号量为什么是进程间通信的一种？
- 1、我们的通信， 不仅仅是传送数据， 通信也在于双方之间的互相协同。
- 2、协同虽然不是以传送数据为目的。 但是他以时间通知为目的。 它的本质就是在传递信息， 只不过不是传统的hello world、hello linux这样的数据了。 ------就比如我们上课， 以及我们吃饭， 假如小王和校长， 小张吃饭的时候喜欢和小王吃， 所以小王吃饭的时候就会给小张打电话。 小王喜欢逃课， 小张在上课的时候， 如果有签到， 就给小王打电话。 这两个人互相通知，这个互相就叫做协同；这个通知， 就叫做信号。 这个通知是不是通信？是的！！！------所以，信号量的本质， 其实也是通信。
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