深入了解linux系统—— System V之消息队列和信号量

System V IPC主要有三种通信方式：共享内存、消息队列、信号量；

现在来简单了解一下消息队列和信号量；以及内核当中是如何管理System VIPC资源的。

消息队列

消息队列的原理

要想实现进程间通信，就要让进程先看到同一份资源，管道是让进程看到同一个文件、共享内存是让进程看到同一份内存；

而消息队列就是在内核中维护一个队列，让两个进程看到同一个队列，让在这一个队列中读取和写入数据。

消息队列的接口

1. msgget创建消息队列

int msgget(key_t key, int msgflg);

参数：

key_t key：和共享内存的key一样，内核当做用来区别消息队列的标识符；由ftok生成；

int msgflg：和shmget第二个参数一样，标志位：IPC_CREAT、IPC_EXCL以及带上权限。

返回值：

如果创建成功，就返回消息队列的唯一标识符；

认个错创建失败就返回-1，并且错误码被设置。

2. msgctl控制消息队列

首先，释放消息队列可以使用指令ipcrm -q.

消息队列和共享内存一样，声明周期是随内核的；只要我们不释放，它就一直存在（系统关机/重启就没了）。

删除消息队列使用的接口是msgctl

msgctl是对消息队列进行管理的接口，可以使用它删除消息队列，也可以使用它来获取内核数据结构对象等等。

参数：

• int msgid：消息队列的标识符id，msgget创建消息队列的返回值。
• op：标志位，传递要对消息队列进行什么操作；删除IPC_RMID、获取内核数据结构对象IPC_STAT。
• struct msgid_ds *buf：输出型参数，如果要获取内核数据结构对象，就传递对应类型的指针；这里删除消息队列不关系就传nullptr

返回值：

这里只关心释放消息队列：

• 如果释放成功就返回0；
• 释放失败就返回-1，并且错误码被设置。

3. msgsnd发送信息

共享内存在使用时需要映射到进程的地址空间中，空间拿到起始虚拟地址，这样就可以拿着起始虚拟地址去访问共享内存了；

而消息队列不同，在进程中只能拿到消息队列的标识符，那要想发送和接受信息，就只能通过系统调用；

发送信息用到的系统调用就是msgsnd

参数：

• int msqidid：消息队列的标识符，msgget的返回值。
• size_t msgsz：表示要写入内容的大小。
• int msgflg：标志位，这里传0即可

这里msgsnd第二个参数，void msgp[.msgsz]，本质上就是一个指针；

但是在发送信息时，需要我们自己构建一个类型，这个自定义类型形式如下：

这个自定义类型存在两个成员：

• long mtype：表示发送信息的类型，要求必须大于0；为什么要存在这个呢？

  简单来说就是进程A和进程B要进行通信，要发送信息，那在读取信息时要知道这个信息是谁发送的；这个成员就来标识是谁发送的信息。

• char mtext[1]：这个成员是一个柔性数组，这里存储的就是我们要发送的数据。

这里注意：一般情况下msgsnd中的msgsz参数指的是我们要发送数据的大小，不算mtype标志位。

4. msgrcv接受信息

能够发送信息，那也就可以接受信息；接受信息用到的系统调用是msgrcv

先来看msgrcv的参数：

• msqid：消息队列的标识符；
• msgp[.msgsz]：这是一个输出性参数参数，读取到的内容就存储在这个输出型参数指针指向的内容当中。
• msgsz：标识要读取内容的大小；（一般情况下，并不算mtype标志位）
• msgtyp：这个参数指的是，要读取谁发送的信息（在发送信息时要带上mtype标志位就是记录是谁发送的信息）
• msgflg：标志位，这里传0即可。

并发编程

System V IPC进程间通信有三种通信方式：共享内存、消息队列和信号量；

而信号量主要是用于同步和互斥的，这里简单提及一下并发编程的相关概念。

共享资源：多个进程能够看到的同一份资源。

要进行进程间通信，首先就要让不同的进程看到同一份资源。

临界资源：被保护起来的共享资源。

临界区：在进程中访问临界资源的程序段

看到同一份资源，这是进程间通信的前提；但是没有数据保护机制就会导致数据不一致。（共享内存，数据写入和读取就没有保护机制）；

那如何进行数据保护呢？如何进行保护呢？

在进程中访问临界资源的程序端，也就是临界区，只要将临界区保护起来不就做到了保护共享资源的数据吗。

保护方法：加锁；保证只有一个进程同时访问临界资源、让进程访问临界资源有一定的顺序性。

互斥：任意时刻，只允许一个进程访问临界资源。

同步：多个执行流在访问临界资源时，具有一定的顺序性。

保护临界区，做法就是加锁；简单来说就是一个进程要访问临界资源，先申请锁，如果申请成功，其他在要访问临界资源要申请锁就申请失败，无法访问临界资源；进程在访问完临界资源之后，释放锁；这样其他进程就可以申请锁然后访问临界资源。

锁具有原子性

锁的原子性是指锁操作（获取和释放）作为一个不可分割的单元执行的特性。这是锁机制能够正确实现线程同步的基础。

• 不可分割性：锁的获取和释放操作在执行过程中不会被中断，要么完全执行成功，要么完全不执行。
• 互斥保证：由于原子性，同一时间只有一个线程能够成功获取锁，从而保证临界区代码的互斥访问。
• 硬件支持：现代处理器通常提供特殊的原子指令（如CAS, Test-and-Set等）来实现锁的原子操作。
• 内存可见性：锁的原子操作通常还包含内存屏障，确保锁状态的变化对所有线程可见。

信号量

信号量的本质

在共享内存中，没有保护机制就导致了数据的不一致，这个问题的一种解决方案就是：信号量。

那是如何解决的呢？

简单来说就是一个进程在访问临界资源之前要先申请锁（这里就是申请

信号量本质上就是一个计数器。

进程在访问临界资源之前，申请锁（就是对信号量--）当信号量减到0时进程就会阻塞，等待在访问临界资源的进程退出，释放锁（就是对信号量++）。

这里就像显示生活中买票一样（电影票、火车票、飞机票...），一个人买票成功，这个作座位就是他的，其他人就无法买到这个座位的票。

所以，进程访问临界资源要先申请信号量，本质上就是对临界资源的一种预定机制。

这里申请信号量，信号量++就是P操作、释放信号量，信号量++就是V操作。

共享内存是不同的进程看到同一份内存资源（在linux内核中这份内存资源是基于文件的文件缓冲区）、消息队列是不同的进程看到同一份内存中的同一个消息队列；那信号量呢？

不同的进程要对申请/释放 同一个信号量，首先就要先看到同一个信号量。

虽然信号量不是用来输出数据的，但它也属于通信范畴。

信号量的接口

1. semget创建信号量

这里第一个参数和shmget、msgget一样，都是key值；在内核中用来区别信号量的；（使用ftok函数生成）

第二个参数：表示要创建信号量的个数。

第三个参数：标志位、包含权限；（和shmget和msgget一样）IPC_CREAT、IPC_EXCL和权限。

返回值：

如果创建成功就返回信号量的标识符；创建失败就返回-1。

2. semctl控制信号量

semctl和shmctl、msgctl一样，用来对信号量控制（包括释放、获取内核数据结构，设置信号量）

参数：

• int semid：信号量标识符，semget的返回值。
• int semnum：表示信号量在集合中的索引值。
• int op：标志位，表示要对信号量进行什么操作；常见的标志有：IPC_RMID释放信号量、IPC_STAT获取内核数据结构、SET_VAL设置一个信号量的值、SET_ALL设置所有信号量的值、GET_VAL/GET_ALL获取一个/所有信号量的值。

对于...可变参数，取决于op标志位，一般是一个union semnu需要我们自己定义：

union semun {
    int val;                // SETVAL用的值
    struct semid_ds *buf;   // IPC_STAT, IPC_SET用的缓冲区
    unsigned short *array;  // GETALL, SETALL用的数组
};

返回值：

对于不同的标志位op，存在不同的返回值：

• 成功：返回值取决于op：
  • GETVAL：信号量的当前值
  • GETPID：最后操作信号量的进程PID
  • GETNCNT：等待信号量值增加的进程数
  • GETZCNT：等待信号量值变为0的进程数
  • 其他：0
• 失败：返回 -1 并设置 errno

3. semop信号量操作

​ semget创建信号量，semctl控制信号量；那如何对信号量进程申请P和释放V呢？

参数：

• int semid：信号量标识符
• size_t nsops：要操作信号量的数量

对于第二个参数是struct sembuf类型的指针，它的组成：

struct sembuf {
    unsigned short sem_num;  // 信号量在集合中的索引
    short sem_op;           // 操作值(正数-V操作，负数-P操作)
    short sem_flg;          // 标志(如 IPC_NOWAIT, SEM_UNDO)
};

在我们进行操作时，就需要先构建一个struct sembuf类型的对象，再设置其中成员变量的值，来对信号量进行不同的操作。

返回值：

操作成功进返回0，失败则返回-1并且错误码被设置。

内核对于System V IPC资源的管理

了解了System VIPC进程间通信：共享内存、消息队列和信号量；从系统调用接口上就可以看出它们非常相似。

都是使用key值来创建唯一的资源，ctl控制资源（删除、获取内核数据结构）。

那在内核中，是如何管理System VIPC资源的呢？

还用，在内存中，存在非常多的进制需要进行通信，那就势必存在非常多的共享内存、消息队列或者信号量等资源；这些资源是新建的、有正在使用的、有即将释放的；

操作系统是不是也要将这些资源管理起来呢？如何管理？先描述后组织

在内核中一定存在描述共享内、消息队列和信号量对应的结构体；那操作系统是如何将这些IPC资源（结构体）组织起来的呢？

先来看一下共享内存、消息队列和信号量对应的结构体：

可以看到无论是shmid_ds、msqid_ds还是semid_ds，这些结构体的第一个变量都是struct ipc_perm类型的对象，那它是什么呢？

struct ipc_perm {
    key_t          __key;    /* IPC 对象的键值 */
    uid_t          uid;      /* 所有者的有效用户ID */
    gid_t          gid;      /* 所有者的有效组ID */
    uid_t          cuid;     /* 创建者的有效用户ID */
    gid_t          cgid;     /* 创建者的有效组ID */
    unsigned short mode;     /* 权限模式（读写权限） */
    unsigned short __seq;    /* 序列号（内部使用） */
};

可以看到在struct ipc_perm中存储着_key值，uid、mode权限等等。

了解了内核中共享内存、消息队列和信号量对应的结构体，现在来看内核是如何将其组织起来的

首先在内核在存在一个ipc_ids的结构体，其中包含成员变量：当前IPC对象的数量、序列号、最大序列号和ipc_id_ary的数组（现在的新内核中已经使用IDR树代替该数组了）。

对应的ipc_id_ary也是一个结构体，其中包含数组总容量size和一个柔性数组p，这个柔性数组指针的类型是struct ipc_perm*

而共享内存struct shmid_ds、消息队列msqid_ds、信号量semid_ds结构体的第一个成员都是struct ipc_perm；

这样，在ipc_id_ary中的柔性数组p指向这些结构体的第一个成员struct ipc_perm。

虽然共享内存、消息队列和信号量的结构体各不相同，但是它们的第一个成员变量都是struct ipc_perm；这样p就指向不同结构体的第一个相同的成员变量。

我们知道结构体的第一个成员的地址和结构体整体的地址是一样的，所有在使用时找到对应的struct ipc_perm的地址之后，进行强制类型转换，就可以访问结构体中的其他成员了。

到这里懂了，在内核中共享内存、消息队列和信号量是统一进行管理的，它们都使用key值创建然后获得唯一的标识符；

所以，这里共享内存、消息队列和信号量使用的是一个数组的下标；

这里对应的标识符还是逐渐递增的，而在ipc_ids中还存储着最大序列号max_id，标识符在超过最大序列号之后就会轮回到起始位置。

到这里还存在一个疑问：在通过标识符（下标）找到对应的struct ipc_perm的地址之后，通过强制类型转换就可以访问其他成员；那操作系统是如何知道要转换成什么类型的呢？

这里，我们可以发现共享内存、消息队列和信号量虽然系统调用有相似性，但是还是不同的系统调用接口；

所以，在我们调用对应的系统调用时，我们调用哪一个系统调用，操作系统就对应的转换成什么类型。

到这里本篇文章的内容就结束了，感谢支持