通信之道:解锁Linux进程间通信的无限可能(三)

struct msqid_ds {
	struct ipc_perm msg_perm;
	struct msg *msg_first;      /* first message on queue,unused  */
	struct msg *msg_last;       /* last message in queue,unused */
	__kernel_time_t msg_stime;  /* last msgsnd time */
	__kernel_time_t msg_rtime;  /* last msgrcv time */
	__kernel_time_t msg_ctime;  /* last change time */
	unsigned long  msg_lcbytes; /* Reuse junk fields for 32 bit */
	unsigned long  msg_lqbytes; /* ditto */
	unsigned short msg_cbytes;  /* current number of bytes on queue */
	unsigned short msg_qnum;    /* number of messages in queue */
	unsigned short msg_qbytes;  /* max number of bytes on queue */
	__kernel_ipc_pid_t msg_lspid;   /* pid of last msgsnd */
	__kernel_ipc_pid_t msg_lrpid;   /* last receive pid */
};

消息队列数据结构的第一个成员是msg_perm，它和shm_perm是同一个类型的结构体变量，ipc_perm的结构体定义如下.

cpp 复制代码

struct ipc_perm{
	__kernel_key_t  key;
	__kernel_uid_t  uid;
	__kernel_gid_t  gid;
	__kernel_uid_t  cuid;
	__kernel_gid_t  cgid;
	__kernel_mode_t mode;
	unsigned short  seq;
};

3:消息队列的创建

cpp 复制代码

int msgget(key_t key, int msgflg);

创建消息队列也需要使用ftok函数生成一个值,这个key值作为msgget函数的第一个参数

msgget函数的第二个参数，与创建共享内存时使用的shmget函数的第三个参数相同

消息队列创建成功时，msgget函数返回的一个有效的消息队列标识符（用户层标识符）

4:消息队列的释放

释放消息队列我们需要用msgctl函数，msgctl函数的函数原型如下:

cpp 复制代码

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

msgctl函数的参数与释放共享内存时使用的shmctl函数的三个参数相同，只不过msgctl函数的第三个参数传入的是消息队列的相关数据结构.

5:向消息队列发送数据

向消息队列发送数据我们需要使用msgsnd函数，msgsnd函数的函数原型如下

cpp 复制代码

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

msgsnd函数的参数说明

第一个参数msqid，表示消息队列的用户级标识符.
第二个参数msgp，表示待发送的数据块.
第三个参数msgsz，表示所发送的数据块的大小.
第四个参数msgflg，表示发送数据块的方式，一般默认为0即可.

msgsnd函数的返回值说明

msgsnd调用成功，返回0。
msgsnd调用失败，返回-1。

其中msgsnd函数的第二个参数必须为如下结构

cpp 复制代码

struct msgbuf{
	long mtype;       /* message type, must be > 0 */
	char mtext[1];    /* message data */
};

注意： 该结构当中的第二个成员mtext即为待发送的信息，当我们定义该结构时，mtext的大小可以自己指定。

6:从消息队列获取数据

从消息队列获取数据我们需要用msgrcv函数，msgrcv函数的函数原型如下：

二:System V信号量

1.信号量相关概念

多个执行流,能看到同一份资源,叫做共享资源.
被保护的共享资源叫做临界资源,保护共享资源的方式有:同步和互斥.
互斥:任何时刻只能有一个进程访问共享资源.
只要是资源,就要被程序员通过代码去进行访问----->代码 = 访问共享的代码 + 不访问共享资源的代码.
被保护的共享资源称之为临界资源,临界资源的本质是对访问共享资源的代码进行保护.

2.对信号量的理论解释

进程间通信通过共享资源来实现，这虽然解决了通信的问题，但也引入了新的问题，那就是通信进程间共用的临界资源，若是不对临界资源进行保护，就可能产生各个进程从临界资源获取的数据不一致等问题.
保护临界资源的本质是保护临界区， 我们将进程代码中访问临界资源的代码 称之为临界区 ，信号量就是用来保护临界区的，信号量分为二元信号量和多元信号量.
信号量的本质是一个计数器，在二元信号量中，信号量的个数为1（相当于将临界资源看成一整块），二元信号量本质解决了临界资源的互斥问题

上述代码中，当进程A申请访问共享内存资源时，如果此时sem为1（sem代表当前信号量个数），则进程A申请资源成功，此时需要将sem减减，然后进程A就可以对共享内存进行一系列操作，但在进程A在访问共享内存时,若进程B申请访问该共享内存资源，此时sem就为0了，那么这时进程B就会被挂起，直到进程A访问共享内存结束后将sem++，此时才会将进程B唤起，然后进程B再对该共享内存进行访问操作。

在这种情况下，无论什么时候都只会有一个进程在对同一份共享内存进行访问，也就解决了临界资源的互斥问题。

实际上，代码中计数器sem--的操作就叫做P操作，而计数器++的操作就叫做V操作，P操作就是申请信号量，而V操作就是释放信号量。

3:信号量数据结构

信号量的数据结构如下

cpp 复制代码

struct semid_ds {
	struct ipc_perm sem_perm;       /* permissions .. see ipc.h */
	__kernel_time_t sem_otime;      /* last semop time */
	__kernel_time_t sem_ctime;      /* last change time */
	struct sem  *sem_base;      /* ptr to first semaphore in array */
	struct sem_queue *sem_pending;      /* pending operations to be processed */
	struct sem_queue **sem_pending_last;    /* last pending operation */
	struct sem_undo *undo;          /* undo requests on this array */
	unsigned short  sem_nsems;      /* no. of semaphores in array */
};

信号量数据结构的第一个成员也是**ipc_perm类型** 的结构体变量 ，ipc_perm结构体的定义如下：

cpp 复制代码

struct ipc_perm{
	__kernel_key_t  key;
	__kernel_uid_t  uid;
	__kernel_gid_t  gid;
	__kernel_uid_t  cuid;
	__kernel_gid_t  cgid;
	__kernel_mode_t mode;
	unsigned short  seq;
};

4:信号量的相关函数

信号量的创建

创建信号量集我们需要用semget函数，semget函数的函数原型如下：

cpp 复制代码

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

创建信号量集也需要使用ftok函数生成一个key值，这个key值作为semget函数的第一个参数。
semget函数的第二个参数nsems，表示创建信号量的个数。
semget函数的第三个参数，与创建共享内存时使用的shmget函数的第三个参数相同。
信号量集创建成功时，semget函数返回的一个有效的信号量集标识符（用户层标识符）。

信号量集的删除

cpp 复制代码

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

删除信号量集我们需要用semctl函数，semctl函数的函数原型如下：

信号量集的操作

cpp 复制代码

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

三:System V IPC联系

通过对system V系列进程间通信的学习，可以发现共享内存、消息队列以及信号量，虽然它们内部的属性差别很大，但是维护它们的数据结构的第一个成员确实一样的，都是ipc_perm类型的成员变量。

这样设计的好处就是，在操作系统内可以定义一个struct ipc_perm类型的数组，此时每当我们申请一个IPC资源，就在该数组当中开辟一个这样的结构。

也就是说，在内核当中只需要将所有的IPC资源的ipc_perm成员组织成数组的样子，然后用切片的方式获取到该IPC资源的起始地址，然后就可以访问该IPC资源的每一个成员了。

四:进程间通信方式的对比

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| 通信方式 | 机制描述 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
| 匿名管道（Pipe） | 半双工通信，数据只能单向流动。通常指匿名管道，仅限有血缘关系的进程。 | 简单易用，不需要复杂的同步机制。 | 缓冲区有限；只能单向传输；仅限亲缘进程 | 简单的父子进程数据传递。 |
| 命名管道（FIFO） | 类似于管道，但在文件系统中有一个名字，允许无亲缘关系的进程通信 | 克服了匿名管道只能在亲缘进程间使用的限制 | 效率较低（通过内核缓冲区）；依然是单向或半双工。 | 不相关的进程间交换少量数据。 |
| 信号（Signal） | 异步通知机制，用于通知接收进程某个事件已经发生。 | 开销极小，响应速度快。 | 携带信息量极少（通常只有一个信号编号）；不适用于传输数据 | 异常处理、进程中断、系统报警。 |
| 消息队列 (Message Queue) | 消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。 | 支持异步通信；解耦发送方和接收方；支持按类型检索消息。 | 内核态与用户态之间的数据拷贝开销；消息大小有限制。 | 结构化数据交换、任务异步处理。 |
| 共享内存 (Shared Memory) | 映射一段能被其他进程访问的内存，两个进程直接读写。 | 速度最快，无需内核拷贝数据，直接操作内存。 | 需要额外的同步机制（如信号量）来防止竞态条件。 | 大批量数据共享、高频数据交换。 |
| 信号量 (Semaphore) | 一个计数器，用于为多个进程提供对共享资源的访问控制。 | 有效解决进程同步与互斥问题，防止资源冲突。 | 编程复杂，使用不当容易导致死锁。 | 配合共享内存使用，控制并发访问。 |