Linux系统编程｜信号进阶 + SystemV IPC（消息队列、共享内存）

一、信号进阶：发送信号、pause、alarm定时器

1.1 kill() ------ 向指定进程发送信号

kill不只是杀死进程，本质功能：给指定PID的进程发送信号，可以发送任意合法信号。

头文件

#include <sys/types.h>

#include <signal.h>

int kill(pid_t pid, int sig);

参数说明

pid：接收信号的进程ID
pid > 0：信号发送给pid对应的进程
pid = 0：发送给当前进程组所有进程
pid = -1：发送给系统内有权限的全部进程
sig：信号编号（如`SIGINT`、`SIGUSR1`）

返回值

成功返回0；失败返回1，设置errno。

示例：kill(pid, SIGKILL);强制杀死目标进程。

1.2 pause() ------ 进程休眠等待信号唤醒

#include <unistd.h>

int pause(void);

功能：将当前进程挂起休眠，直到捕获到一个信号，执行完信号处理函数之后pause才返回。

返回值：永远返回1，errno设置为EINTR，表示被信号中断。

使用场景：进程休眠等待外部信号触发业务逻辑。

注意：必须提前注册信号捕获处理函数，如果收到的信号是默认终止行为，进程直接退出，pause不会返回。

1.3 alarm() 定时信号

#include <unistd.h>

unsigned int alarm(unsigned int seconds);

功能：seconds秒之后，向自己进程发送SIGALRM信号。

SIGALRM默认动作：终止进程。
如果多次调用alarm，新调用会覆盖上一次定时器。

返回值：返回上一次剩余倒计时秒数；之前没有设置返回0。

简单示例：

#include <stdio.h>

#include <unistd.h>

#include <signal.h>

void alarm_handler(int sig)

{

printf("收到定时SIGALRM信号！\n");

}

int main(void)

{

signal(SIGALRM, alarm_handler);

alarm(3); //3秒后发出SIGALRM

pause();

printf("程序继续往下执行\n");

return 0;

}

```

二、SystemV IPC通用知识点

2.1 ftok() 生成IPC对象key键值

SystemV IPC（消息队列、共享内存、信号量集）依靠`key_t`键值，多个进程使用同一个key，就可以访问同一个内核IPC对象。

#include <sys/types.h>

#include <sys/ipc.h>

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

pathname：必须是真实存在的文件路径；
proj_id：项目ID，0255的整数；

返回值：成功返回key；失败返回1。

原理：利用文件inode + proj_id计算出唯一key；同一个文件+同一个proj_id得到的key完全相同。

2.2 IPC命令行调试工具

ipcs -a # 查看系统所有SystemV IPC对象

删除消息队列

ipcrm -q 消息队列ID

ipcrm -Q key值

删除共享内存

ipcrm -m shmid

ipcrm -M key

删除信号量集

ipcrm -s semid

ipcrm -S key

三、消息队列 Message Queue

消息队列是**内核维护的消息链表**，每条消息带有消息类型`mtype`；进程可以按照消息类型选择性读取消息，不再像管道只能读取字节流。

特点：

消息有类型字段，可以按类型筛选接收；
收发进程不需要同时运行，消息缓存在内核；
进程结束消息队列不会自动销毁，需要手动删除。

3.1 核心结构体

struct msgbuf {

long mtype; /* 消息类型，必须大于0 */

char mtext $1$ ; /* 消息正文，长度自定义 */

};

3.2 全套API

① msgget() 创建/获取消息队列ID

#include <sys/msg.h>

int msgget(key_t key, int msgflg);

key：ftok生成的key；
msgflg：IPC_CREAT | 0664，不存在则创建，存在直接获取；

返回值：成功返回消息队列ID(msqid)；失败1。

② msgsnd() 发送消息

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

msqid：msgget返回ID；
msgp：指向msgbuf消息结构体；
msgsz：消息正文mtext字节大小，不包含mtype；
msgflg：填0代表阻塞发送。

返回值：成功0，失败1。

③ msgrcv() 接收消息

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

msgtyp：消息类型
msgtyp = 0：读取队列第一条消息；
msgtyp >0：读取mtype等于msgtyp的消息；
msgflg：0阻塞读取；

返回值：成功返回读到正文字节数，失败1。

④ msgctl() 控制消息队列（删除/获取属性）

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。

四、共享内存 Shared Memory

SystemV共享内存：Linux速度最高效的IPC通信方式。

原理：内核开辟一块物理内存，多个进程把同一块内存映射到各自用户虚拟地址；进程直接读写这块内存，**减少用户态和内核态之间的数据拷贝**。

注意：共享内存本身不带同步互斥！多进程并发读写会出现竞争，一般搭配信号量做保护。

API接口

① shmget 创建/获取共享内存ID

#include <sys/shm.h>

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

size：共享内存字节大小，建议4096（一页）整数倍；
shmflg：IPC_CREAT | 0664；

返回：成功shmid，失败1。

② shmat 映射共享内存到进程用户空间

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

shmaddr：填NULL，由内核自动选择映射地址；
shmflg：0读写；SHM_RDONLY只读；

返回值：成功返回映射后的虚拟内存首地址；失败返回(void *)-1。

拿到返回指针，进程就可以直接读写这块内存，就像普通数组一样。

③ shmdt 解除映射

int shmdt(const void *shmaddr);

功能：解除当前进程和共享内存的映射关系。

shmdt仅仅解除映射，不会删除内核里面的共享内存对象！

④ shmctl 删除共享内存对象

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

cmd传IPC_RMID，buf填NULL，删除内核共享内存对象。