Linux相关概念和易错知识点（52）（基于System V的信号量和消息队列）

目录

• [1、System V信号量](#1、System V信号量)
• • （1）信号量的本质与核心原理
  • （2）PV原语（均为原子操作）
  • • [a. P原语（申请资源）](#a. P原语（申请资源）)
    • [b. V原语（归还资源）](#b. V原语（归还资源）)
  • [（3）System V信号量接口](#（3）System V信号量接口)
  • • [a. 创建信号量集 semget](#a. 创建信号量集 semget)
    • [b. 控制信号量 semctl](#b. 控制信号量 semctl)
    • [c. PV操作 semop](#c. PV操作 semop)
  • （4）信号量管理
• [2、System V 消息队列](#2、System V 消息队列)
• • （1）消息队列特点
  • （2）消息队列接口函数
  • • [a. 创建 / 获取消息队列 msgget](#a. 创建 / 获取消息队列 msgget)
    • [b. 消息队列控制 msgctl](#b. 消息队列控制 msgctl)
    • [c. 发送消息 msgsnd](#c. 发送消息 msgsnd)
    • [d. 接收消息 msgrcv](#d. 接收消息 msgrcv)
  • （3）命令行管理

之前我分享过基于System V的共享内存的使用，上篇文章也引入mmap分析了其底层实现，即共享映射文件缓冲区使得不同进程看到同一块区域，本篇文章会继续分享System V标准下的信号量和消息队列。整体难度不大，不需记忆接口，了解即可，因此本文借助AI生成，仅做简单记录和介绍。

1、System V信号量

（1）信号量的本质与核心原理

无论是POSIX还是System V标准下，信号量本质是一个计数器，即资源的预定机制，主要用于进程间同步与互斥管理，在用环形队列实现生产者消费者模型中有很大用处。

信号量操作分为P操作（申请资源）与V操作（归还资源）。

信号量计数器s的含义：

• s > 0：表示当前可用资源的个数
• s = 0：表示无可用资源，且无等待进程
• s < 0：表示无可用资源，|s|为等待队列中进程的个数

内核中信号量可由结构体表示：

struct semaphore {
    int value;
    struct PCB* queue;
};

（2）PV原语（均为原子操作）

a. P原语（申请资源）

1. 执行 value--
2. 判断 value < 0：若成立，说明资源不足
3. 将当前进程加入等待队列并阻塞
4. 进程调度切换，等待被唤醒

void P(struct semaphore* sem) {
    sem->value--;
    if (sem->value < 0) {
        add_to_queue(sem->queue, current_process);
        block_current_process();
    }
}

b. V原语（归还资源）

1. 执行 value++
2. 判断 value <= 0：若成立，说明有进程在等待
3. 从等待队列唤醒一个进程至就绪态
4. 唤醒后的进程可重新尝试申请信号量

void V(struct semaphore* sem) {
    sem->value++;
    if (sem->value <= 0) {
        struct PCB* proc = remove_from_queue(sem->queue);
        wake_up_process(proc);
    }
}

（3）System V信号量接口

a. 创建信号量集 semget

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

• key：唯一标识，与共享内存规则一致
• nsems：信号量集中信号量的个数
• semflg：支持 IPC_CREAT 与 IPC_EXCL
• 返回值：成功返回 semid，失败返回 -1

b. 控制信号量 semctl

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

• semid：信号量集标识符
• semnum：信号量下标，从0开始
• cmd：
  • SETVAL：初始化单个信号量，该操作不具备原子性
  • IPC_RMID：删除整个信号量集，第二个参数无意义
• 返回值：失败返回 -1

c. PV操作 semop

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

• sops：操作结构体数组
• nsops：数组长度
• 可同时对多个信号量执行原子操作，例如一个P、一个V
• 返回值：成功 0，失败 -1

（4）信号量管理

• 查看信号量：ipcs -s
• 删除信号量：ipcrm -s

System V 信号量生命周期随内核，进程退出不会自动释放，必须手动删除，通常在析构函数中完成释放逻辑。

2、System V 消息队列

（1）消息队列特点

a. 允许任意进程间通信

消息队列是内核提供的 System V IPC 机制，不要求进程之间存在亲缘关系，只要多个进程通过同一个 key 访问同一个消息队列，即可实现数据收发，支持无关联进程间通信。

b. 消息自带类型标识，可按类型选择性接收

每条消息必须以一个 long 类型的消息类型字段开头，接收方可以指定只接收某一类型的消息，不匹配类型的消息会继续保留在队列中，也可以不指定类型直接读取最早消息，实现消息分类与分发。

c. 支持全双工通信

通信双方可以使用不同消息类型分别进行发送和接收，无需切换读写方向，双向通信互不干扰，天然实现全双工。

d. 生命周期随内核

消息队列创建后会持续存在于内核中，进程退出不会自动删除，只有通过调用msgctl(IPC_RMID) 或系统重启才会销毁。

e. 面向数据块传输

以消息为单位传输，每条消息独立，不同于管道的字节流传输，边界清晰。

（2）消息队列接口函数

a. 创建 / 获取消息队列 msgget

int msgget(key_t key, int msgflg);

• key：消息队列的唯一标识符，可通过 ftok 生成或手动指定
• msgflg：权限位 + 创建标志
  • IPC_CREAT：队列不存在则创建，存在则返回已存在队列 ID
  • IPC_EXCL：与 IPC_CREAT 配合使用，队列已存在则报错，确保新建队列
  • 例：IPC_CREAT | 0666
• 返回值：成功返回消息队列 ID msqid，失败返回 -1

b. 消息队列控制 msgctl

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

• cmd：
  • IPC_RMID：删除消息队列，此时 buf 传 NULL
  • IPC_STAT：获取队列属性信息，存入 buf
  • IPC_SET：设置队列属性
• 常用于删除队列：msgctl(msqid, IPC_RMID, NULL);

c. 发送消息 msgsnd

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

• msgp：指向自定义消息结构体指针，结构体必须以 long mtype 开头
• msgsz：消息数据部分长度，不包含 mtype 字段
• msgflg：一般为 0（阻塞发送），或 IPC_NOWAIT（非阻塞）
• 消息结构体示例：

  struct msgbuf {
      long mtype;
      char mtext[1024];
  };

d. 接收消息 msgrcv

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

• msgtyp：要接收的消息类型
  • 0：接收队列中第一条任意类型消息

  • 0：接收指定类型的第一条消息

  • <0：接收类型 ≤ |msgtyp| 的最小类型消息
• msgsz：数据缓冲区大小
• msgflg：一般为 0（阻塞），或 IPC_NOWAIT、MSG_NOERROR 等

（3）命令行管理

• 查看消息队列：ipcs -q
• 删除消息队列：ipcrm -q msqid