Linux环境编程第六天笔记--system-V IPC

Linux环境编程第六天笔记

system-V IPC

消息队列、共享内存和信号量统称为system-V IPC，在系统中它们都使用key（键值）作为唯一标识，它们都是持续性资源。即被创建后不会因为进程的结束而消失，除非调用特殊的函数或命令删除。

进程每次打开一个IPC对象，都会获得表征这个对象的ID，IPC的key是唯一的，ID是可变的。

ftok()

获取一个当前未用的IPC的key

返回值：成功：返回键值；失败：返回-1；

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

• pathname ：一个合法的路径。

• proj_id ：一个整数

1. 如果两个参数相同，那么获得的key值也相同。

2. 如果同一个目录中的进程需要超过1个IPC对象，可以通过第2个参数来标识。

3. 即便是不同类型的IPC也不能使用同一个key。

查看或删除当前系统IPC的命令

• 查看消息队列：ipcs -q

• 查看共享内存：ipcs -m

• 查看信号量：ipcs -s

• 查看所有IPC对象：ipcs -a

• 删除指定的消息队列：ipcrm -q MSG_ID或ipcrm _Q msg_key

• 删除指定共享内存：ipcrm -m SHM_ID或ipcrm -M shm_key

• 删除指定的信号量：ipcrm -s SEM_ID或ipcrm -S sem_key

删除举例：假如某个消息队列的msqid 是 12345，key 是 0xabcdef。

 ipcrm -s 11223   
 ipcrm -S 0x98765 

消息队列（MSG）

消息队列是一种带有数据标识的特殊管道，使得每一段被写入的数据都变成带标识的消息，读取该段消息的进程只要指定这个标识就可以正确的读取。一个代标识的消息队列，就像是多条并存的管道一样。

msgget()

获取消息队列的ID（chuang）

返回值：成功：该消息队列对的ID；失败：-1

 #include <sys/types.h>
 #include <sys/ipc.h>
 #include <sys/msg.h>
 ​
 int msgget(key_t key, int msgflg);

• key：消息队列的键值。如果指定为IPC-PRIVATE系统会使用一个未使用的key，来对应这个消息队列。

• msgflg：（是一个位屏蔽字）

  • IPC_CREAT：如果key对应的MSG不存在，则创建该对象。

  • IPC_EXCL：如果key对应的MSG已存在，则报错。

  • mode：MSG的访问权限（八进制：如0666）权限只有读和写，执行权限是无效的。

msgsnd()和msgrcv()

msgsnd() 发送消息；msgrcv()接收消息

返回值：成功：msgsnd()返回0,msgrcv()返回读取的字节数；失败：均返回-1

 #include <sys/msg.h>
 ​
 // 发送消息
 int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
 ​
 // 接收消息
 ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);

• msqid：发送、接收消息的消息队列对的ID

• msgp：要发送的数据、要接收的数据的存储区域指针

• msgsz：要发送的数据、要接收的数据的大小

• msgtyp：（msgrcv独有）要接收的消息标识

  • 0 - 接收队列中的第一条消息 • >0 - 接收指定类型的第一条消息 • <0 - 接收类型小于等于 |msgtyp| 的第一条消息

• msgflg：标志位 • 0 - 阻塞接收 • IPC_NOWAIT - 非阻塞读出、写入消息 • MSG_EXCEPT - 接收类型不等于 msgtyp 的消息（msgrcv独有） • MSG_NOERROR - 如果消息尺寸大于msgsz，截断而不报错（msgrcv独有）

发送消息时，消息必须被组织成以下形式

 struct msgbuf 
 {
     long mtype;       // 消息标识，必须 > 0
     char mtext[1];    // 消息数据，可以是任意类型
 };

备注：消息的标识可以是任意长整型数值，但不能是0L。参数msgsz的数值是正文大小，不包含消息标识

msgctl()

 #include <sys/types.h>
 #include <sys/ipc.h>
 #include <sys/msg.h>
 ​
 int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

• msqid：消息队列标识符，由 msgget() 返回

• cmd

  命令	功能
  IPC_STAT	获取消息队列的状态信息,存储在msqid_ds()中
  IPC_SET	设置消息队列的参数,存储在msqid_ds()中//使用前需要IPC_STAT获取一下原状态
  IPC_RMID	立即删除消息队列，并且唤醒所有阻塞在消息队列上的进程，同时忽略第三个参数
  IPC_INFO	获取系统消息队列限制信息
  MSG_INFO	获取系统消息队列资源使用信息
  MSG_STAT	通过索引获取消息队列状态

  返回值：成功：

  IPC_STAT、IPC_SET、IPC_RMID返回0

  IPC_INFO、MSG_INFO返回系统中已分配的消息队列总数

  MSG_STAT返回消息队列的ID

• buf：相关消息结构体的缓冲区

 //msqid_ds 结构体
 struct msqid_ds {
     struct ipc_perm msg_perm;     /* 所有权和权限 */
     time_t          msg_stime;    /* 最后发送时间 */
     time_t          msg_rtime;    /* 最后接收时间 */
     time_t          msg_ctime;    /* 最后修改时间 */
     unsigned long   __msg_cbytes; /* 队列中当前字节数 */
     msgqnum_t       msg_qnum;     /* 队列中消息数量 */
     msglen_t        msg_qbytes;   /* 队列最大字节数 */
     pid_t           msg_lspid;    /* 最后发送进程的PID */
     pid_t           msg_lrpid;    /* 最后接收进程的PID */
 };
 //ipc_perm 结构体
 struct ipc_perm {
     key_t          __key;    /* 消息队列的key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 */
     unsigned short __seq;    /* 序列号 */
 };

共享内存（SHM）

共享内存是效率最高的IPC，因为它抛弃了内核这个"代理人"，共享内存一般不能单独使用，需要配合信号量、互斥锁等协调机制。共享的内存是同一块内存映射到不同内存的虚拟空间。

使用共享内存的一般步骤

1. 获取共享内存对象的ID

2. 将共享内存映射到本进程虚拟内存空间的某个区域

3. 当不在映射时，解除映射关系

4. 当没有进程再需要这块内存时，删除它

shmget()

获取共享内存的ID

返回值：成功：返回该共享内存的ID；失败：返回-1；

 #include <sys/ipc.h>
 #include <sys/shm.h>
 ​
 int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

• key：共享内存的键值

• size：共享内存的尺寸

• shmflg：

宏	作用
IPC_CREAT	如果键值对应的共享内存不存在，则创建
IPC_EXCL	如果键值对应的共享内存存在，则报错
SHM_HUGETLB	使用大页面来分配内存
SHM_NORESERVE	不在交换分区中为这块共享内存保留空间
mode	共享内存的访问权限（八进制：如0644）

所谓大页面是指采用比默认尺寸4KB更大的页面，Linux内核支持以2MB作为物理分页的基本单位，以减少缺页中断。

shmat()和hshmdt()

对共享内存进行映射，或解除映射

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>

void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
int shmdt(const void *shmaddr);

• shmid：共享内存的ID

• shmaddr：

  shmat:

  • 值为NULL：系统自动选择一个合适的虚拟内存地址去映射共享内存

  • 不为NULL：系统会根据shmaddr来选择一个合适的内存区域

  shmdt

  • 共享内存的首地址

• shmflg

  • SHM_RDONLY：以只读的方式映射共享内存

  • SHM_REMAP：重新映射，此时shmaddr不能为NULL

  • SHM_RND：选择比shmaddr小的最大地址来对齐地址

  • 0：默认：可读写

备注：共享内存只能以只读或可读写的方式映射，无法以只写的方式映射。

解除映射后系统不再允许访问SHM

shmctl()

获取或设置共享内存的相关属性

返回值：成功：SHM_STAT：返回shmid的ID；失败：-1

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

struct shmid_ds {
    struct ipc_perm shm_perm;    /* 所有权和权限 */
    size_t          shm_segsz;   /* 段大小（字节） */
    time_t          shm_atime;   /* 最后附加时间 */
    time_t          shm_dtime;   /* 最后分离时间 */
    time_t          shm_ctime;   /* 最后修改时间 */
    pid_t           shm_cpid;    /* 创建者PID */
    pid_t           shm_lpid;    /* 最后操作者PID */
    shmatt_t        shm_nattch;  /* 当前附加数量 */
    // 平台特定字段可能还有更多
};

struct ipc_perm {
    key_t          __key;    /* 共享内存的key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 */
    unsigned short __seq;    /* 序列号 */
};

• shmid：共享内存标识符

• cmd：

  命令	功能
  IPC_STAT	获取共享内存段的状态信息，放到buf中
  IPC_SET	设置共享内存段的参数为buf指向的内容，需要先使用IPC_STAT获取原信息
  IPC_RMID	标记共享内存段为即将被删除
  IPC_INFO	获取系统共享内存限制信息
  SHM_INFO	获取系统共享内存资源使用情况
  SHM_STAT	通过索引获取共享内存信息
  SHM_LOCK	锁定共享内存到物理内存（防止交换）
  SHM_UNLOCK	解锁共享内存（允许交换）

• buf：指向 shmid_ds 结构体的指针，用于传入或传出信息

信号量（SEM）

信号量是一种用于进程间同步和互斥的IPC机制，可以看作是一个计数器，用于控制多个进程对共享资源的访问。

1. 多个进程或线程有可能同时访问的资源（变量、链表、文件等）称为共享资源。也称为临界资源。

2. 访问这些资源的代码称为临界代码，这些代码区域称为临界区。

3. P操作是申请资源，信号量-1；V操作时释放资源，信号量+1。

semget()

获取信号量ID

返回值：成功：返回该信号量ID；失败：返回-1；

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

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

• key：信号量的键值。

• nsems：信号量的元素个数。

• semflg：

  • IPC_CREAT：如果key对应的信号量不存在，则创建。

  • IPC_EXCL：如果key对应的信号量已存在，则报错

  • mode：信号量的访问权限（八进制：如0644）。

  创建信号量时，还受到以下系统信息的影响：

  1，SEMMNI：系统中信号量的总数最大值。

  2，SEMMSL：每个信号量中信号量元素的个数最大值。

  3，SEMMNS：系统中所有信号量中的信号量元素的总数最大值。

  Linux中，以上信息在/proc/sys/kernel/sem中查看

semop()

对信号量进行P/V操作，或0操作

返回值：成功：0；失败：-1；

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

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

//结构体sembuf
struct sembuf {
    unsigned short sem_num;  /* 信号量在信号量集中的索引（从0开始） */
    short          sem_op;   /* 操作值（正数、负数、0） */
    short          sem_flg;  /* 操作标志 */
};

• semid：信号量ID；

• sops：信号量操作结构体数组；

  sem_op	操作类型
  正数	释放资源（V操作）
  负数	申请资源（P操作）
  0	等待归零

  sem_flg	说明
  0	默认，阻塞操作
  IPC_NOWAIT	非阻塞操作，无法立即完成则返回 EAGAIN
  SEM_UNDO	进程结束时自动撤销操作，防止死锁

• nsops：结构体数组元素个数；

备注：

当 sem_op 等于 0 时：进行等零操作，如果此时 semval 恰好为 0, 则 semop ( ) 立即成功返回，否则如果 IPC_NOWAIT 被设置，则立即出错返回并将 errno 设置为 EAGAIN, 否则将使得进程进入睡眠，直到以下情况发生:

1. semval 变为 0。

2. 信号量被删除。（将导致 semop ( ) 出错退出，错误码为 EIDRM）

3. 收到信号。（将导致 semop ( ) 出错退出，错误码为 EINTR）

semctl()

获取或设置信号量的相关属性

返回值：失败：-1

 #include <sys/types.h>
 #include <sys/ipc.h>
 #include <sys/sem.h>
 ​
 int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
 ​
 struct semid_ds {
     struct ipc_perm sem_perm;  /* 所有权和权限 */
     time_t          sem_otime; /* 最后semop时间 */
     time_t          sem_ctime; /* 最后修改时间 */
     unsigned long   sem_nsems; /* 信号量集中的信号量数量 */
 };
 ​
 struct ipc_perm {
     key_t          __key;    /* 信号量集的key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 */
     unsigned short __seq;    /* 序列号 */
 };

• semid：信号量ID；

• semnum：信号量元素序号（数组下标）

• cmd：

  命令	功能说明	是否需要参数四
  IPC_STAT	获取当前信号量的属性信息（如权限、所有者、创建时间等）	是
  IPC_SET	设置当前信号量的属性信息（需有对应权限，如修改权限、所有者）	是
  IPC_RMID	立即删除该信号量，参数 semnum 会被忽略（信号量被标记为删除，后续无法访问）	否
  IPC_INFO	获取系统级信号量的限制值（如最大信号量数、每个信号量的最大元素数）	是
  SEM_INFO	获取系统中信号量的资源消耗信息（如已创建的信号量数、占用的内存等）	是
  SEM_STAT	类似 IPC_STAT，但通过内核中信号量信息数组的下标（而非信号量 ID）获取系统中所有信号量的信息	是
  GETALL	返回当前信号量集中所有信号量元素 的值，参数 semnum 被忽略	是
  GETNCNT	返回正阻塞在该信号量元素 P 操作（减 1） 上的进程总数	否
  GETPID	返回最后一个对该信号量元素执行操作的进程 PID	否
  GETVAL	``返回该信号量元素的当前值	否
  GETZCNT	返回正阻塞在该信号量元素 等零操作（sem_op=0） 上的进程总数	否
  SETALL	设置当前信号量集中所有信号量元素 的值，参数 semnum 被忽略	是
  SETVAL	设置该信号量元素的当前值	是

• ...：可变参数，通常是union semun

 // 必须自己定义 union semun
 union semun {
     int              val;    /* 用于 SETVAL */
     struct semid_ds *buf;    /* 用于 IPC_STAT, IPC_SET */
     unsigned short  *array;  /* 用于 GETALL, SETALL */
     struct seminfo  *__buf;  /* 用于 IPC_INFO (Linux特有) */
 };
 ​
 // 也可以这样简化定义（更通用）
 typedef union {
     int val;
     struct semid_ds *buf;
     unsigned short *array;
 } semun_t;