Linux进程间通信之System V
目录
认识system V：
system V共享内存：
共享内存的基本原理：
共享内存的数据结构：
共享内存的建立与释放：
共享内存的建立：
共享内存的释放：
共享内存的关联：
共享内存的去关联：
用共享内存实现serve&client通信：
system V消息队列：
消息队列基本原理：
消息队列数据结构：
消息队列的创建：
消息队列的释放：
向消息队列发送数据：
从消息队列获取数据：
system信号量:
信号量相关概念:
信号量数据结构:
信号量集的创建：
信号量集的删除：
信号量集的操作：
进程互斥
认识system V：
对于进程间通信，想必管道大家再熟悉不过了，对于管道这种通信方式，其实是对底层代码的一种复用，linux工程师借助类似文件缓冲区的内存空间实现了管道，其实也算偷了一个小懒，随着linux的发展，linux正式推出了System V来专门进行进程间通信，它和管道的本质都是一样的，都是让不同的进程看到同一份资源。
system V通信的3种通信方式：
1.system V共享内存 （） 2.system V消息队列 （） 3.system V信号量 （）
上述中的共享内存和消息队列主要用于传输数据，而信号量则是用于保证进程间的同步与互斥，虽然看起来信号量和通信没关联，但其实它也属于通信的范畴。
system V共享内存：
共享内存的基本原理：
之前说的到了通信的原理都是让不同的进程看到同一份资源，共享内存让进程看到同一份资源的方法就是，在物理内存中申请一块空间，名为共享内存，然后让这块空间与需要通信的进程的页表建立映射，再在进程的虚拟地址的栈区和堆区中间的共享区，开辟一段空间，将该空间的地址页表对应的位置，这样虚拟地址就和物理地址建立了联系，让不同的进程看到了同一份资源。
注意：这里说的开辟物理空间和建立页表映射关系，都是由操作系统来完成。
共享内存的数据结构：
系统中可能不止一对进程需要通信，一块共享内存只能支持两个进程通信，所以操作系统是支持申请多个共享内存的，而多个共享内存被操作系统管理，所以操作系统中一定有管理共享内存的内核数据结构：
struct shmid_ds {
struct ipc_perm shm_perm; /* operation perms */
int shm_segsz; /* size of segment (bytes) */
__kernel_time_t shm_atime; /* last attach time */
__kernel_time_t shm_dtime; /* last detach time */
__kernel_time_t shm_ctime; /* last change time */
__kernel_ipc_pid_t shm_cpid; /* pid of creator */
__kernel_ipc_pid_t shm_lpid; /* pid of last operator */
unsigned short shm_nattch; /* no. of current attaches */
unsigned short shm_unused; /* compatibility */
void *shm_unused2; /* ditto - used by DIPC */
void *shm_unused3; /* unused */
};当我们申请一块共享内存，system V为了能让不同的进程看到这块共享内存，每个共享内存申请时都会有一个key值，用于系统标志这块共享内存的唯一性。
可以看到上面共享内存数据结构中，第一个成员是shm_perm，shm_perm是一个ipc_perm类型的结构体变量，ipc_perm中存放了每个共享内存的key，ipc_perm的结构如下：
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;
};共享内存的建立与释放：
共享内存的建立大致为以下两步：
1.在物理空间中开辟一块共享内存空间。 2.将该物理空间与进程虚拟地址空间通过页表建立映射关系。（挂载）
共享内存的释放大致为以下两步：
1.将该物理空间和进程虚拟地址空间取关联，取消页表映射。（去挂载） 2.释放共享空间，将物理内存还给操作系统。
共享内存的建立：
共享内存的建立需要使用smhget函数：
smhget参数说明：
key：表示待创建共享内存在系统的唯一标识。 size：表示想要申请的共享内存的大小。（建议4096的整数倍） shmflg：表示创建共享内存的方式。
smhget返回值说明：
若创建成功则返回共享内存的描述符smhid（用户层的，和key不同） 若创建失败则返回 -1
注意key值是需要我们自己传入的，我们可以想传什么就传什么，但key不可重复，所以建议使用ftok函数来取到合适的key：
注意：ftok函数是将一个路径pathname和一个proj_id通过一个特定的函数转换成key值。
传入shmget函数的第三个参数shmflg，常用的组合方式有以下两种：
组合方式 | 作用 |
|---|---|
IPC_CREAT | 如果内核中不存在键值与key相等的共享内存，则新建一个共享内存并返回该共享内存的句柄；如果存在这样的共享内存，则直接返回该共享内存的句柄 |
IPC_CREAT|IPC_EXCL | 如果内核中不存在键值与key相等的共享内存，则新建一个共享内存并返回该共享内存的句柄；如果存在这样的共享内存，则出错返回 |
这两种奇怪的区分到底有什么用呢？
若是第一种方式拿到了一个描述符，则说明该共享内存一定是旧的。
若是第二种方式拿到了一个描述符，则说明该共享内存一定是新的。
所以我们用第二种组合方式来创建共享内存，用第一种组合方式来找到一个共享内存。
共享内存创建好后，我们是可以通过ipcs命令来进行查询的：
ipcs命令选项介绍：
- -q：列出消息队列相关信息。
- -m：列出共享内存相关信息。
- -s：列出信号量相关信息。
不加选项默认全部列出：
图中每列信息如下：
标题 | 含义 |
|---|---|
key | 系统区别各个共享内存的唯一标识 |
shmid | 共享内存的用户层id（句柄） |
owner | 共享内存的拥有者 |
perms | 共享内存的权限 |
bytes | 共享内存的大小 |
nattch | 关联共享内存的进程数 |
status | 共享内存的状态 |
现在我们编写一个简单的程序来创建一个共享内存，并打印出它的key和描述符：
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>
const char* pathname = "/home/sxk/linux2/24_6_6";
int proj_id = 0x66;
int main()
{
//得出key
key_t key = ftok(pathname,proj_id);
if(key < 0)
{
perror("ftok");
}
//创建共享内存
int shmid = shmget(key,4096,IPC_CREAT);
if(shmid < 0)
{
perror("shmget");
}
//打印出共享内存的key和shmid
printf("key: %x\n",key);
printf("shmid: %d\n",shmid);
sleep(10);
return 0;
}运行结果：
共享内存的释放：
先介绍一个共享内存的重要特性：
共享内存不随程序的结束而释放。
所以，当我们的程序结束后共享内存仍然存在：
如果想要释放这个共享内存有两种方法：
1.使用 ipcrm -m 描述符 指令来删除指定的共享内存
2.在代码中使用shmctl函数：
shmctl函数参数选项介绍：
- 第一个参数shmid，表示所控制共享内存的用户级标识符。
- 第二个参数cmd，表示具体的控制动作。
- 第三个参数buf，用于获取或设置所控制共享内存的数据结构
shmctl函数的返回值说明：
- shmctl调用成功，返回0。
- shmctl调用失败，返回-1。
第二个参数cmd常用的几个选项如下：
选项 | 作用 |
|---|---|
IPC_STAT | 获取共享内存的当前关联值，此时参数buf作为输出型参数 |
IPC_SET | 在进程有足够权限的前提下，将共享内存的当前关联值设置为buf所指的数据结构中的值 |
IPC_RMID | 删除共享内存段 |
修改之前的代码，创建共享内存2秒后删除共享内存：
共享内存的关联：
共享内存在物理空间创建好后，还需将物理内存的地址与进程的虚拟地址空间中的共享区的地址，通过页表映射建立联系，这样之后进程才能访问这片共享内存。
通过shmat函数来建立映射关系
shmat函数的参数说明：
- 第一个参数shmid，表示待关联共享内存的用户级标识符。
- 第二个参数shmaddr，指定共享内存映射到进程地址空间的某一地址，通常设置为NULL，表示让内核自己决定一个合适的地址位置。
- 第三个参数shmflg，表示关联共享内存时设置的某些属性。
shmat函数的返回值说明：
- shmat调用成功，返回共享内存映射到进程地址空间中的起始地址。
- shmat调用失败，返回(void*)-1。
其中，作为shmat函数的第三个参数传入的常用的选项有以下三个：
选项 | 作用 |
|---|---|
SHM_RDONLY | 关联共享内存后只进行读取操作 |
SHM_RND | 若shmaddr不为NULL，则关联地址自动向下调整为SHMLBA的整数倍。公式：shmaddr-(shmaddr%SHMLBA) |
0 | 默认为读写权限 |
共享内存的去关联：
使用shmdt函数来去关联：
shmat函数参数介绍：
- shmaddr：表示需要去关联的共享内存
shmat函数的返回值：
- 若去关联成功， 则返回0
- 若去关联失败， 则返回-1
用共享内存实现serve&client通信：
serve端负责创建共享内存，并收消息，client，负责发消息。
serve.cc：
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>
const char* pathname = "/home/sxk/linux2/24_6_6";
int proj_id = 0x66;
int main()
{
//得出key
key_t key = ftok(pathname,proj_id);
if(key < 0)
{
perror("ftok");
}
//创建共享内存
int shmid = shmget(key,4096,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);
if(shmid < 0)
{
perror("shmget");
}
//打印出共享内存的key和shmid
printf("key: %x\n",key);
printf("shmid: %d\n",shmid);
sleep(5);
//与共享内存关联
char* msg = (char*)shmat(shmid,NULL,0);
if(msg == (void*)-1)
{
perror("shmat");
}
//开始读消息
std::cout<<"serve begin read msg :"<<std::endl;
while(1)
{
std::cout<<msg<<std::endl;
sleep(1);
}
//读完，去关联
int n = shmdt(msg);
if(n < 0)
{
perror("shmdt");
}
//释放共享内存
int t = shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);
if(t < 0)
{
perror("shmctl");
}
return 0;
}client.cc:
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>
const char* pathname = "/home/sxk/linux2/24_6_6";
int proj_id = 0x66;
int main()
{
//获取key
key_t key = ftok(pathname,proj_id);
if(key < 0)
{
perror("ftok");
}
//获取共享内存
int shmid = shmget(key,4096,IPC_CREAT);
if(shmid < 0)
{
perror("shmget");
}
//与共享内存关联指定shmid,不指定地址起始位置,读写权限
char* msg = (char*)shmat(shmid,NULL,0);
if(msg == (void*)-1)
{
perror("shmat");
}
//开始发送消息
char a = 'A';
int i = 0;
while(a < 'Z')
{
msg[i] = a + i;
i++;
sleep(1);
}
//发送完毕，去关联
int t = shmdt(msg);
if(t < 0 )
{
perror("shmdt");
}
return 0;
}运行结果：
system V消息队列：
消息队列基本原理：
消息队列实际上就是在系统当中创建了一个队列，队列当中的每个成员都是一个数据块，这些数据块都由类型和信息两部分构成，两个互相通信的进程通过某种方式看到同一个消息队列，这两个进程向对方发数据时，都在消息队列的队尾添加数据块，这两个进程获取数据块时，都在消息队列的队头取数据块。
总结一下：
- 消息队列提供了一个从一个进程向另一个进程发送数据块的方法。
- 每个数据块都被认为是有一个类型的，接收者进程接收的数据块可以有不同的类型值。
- 和共享内存一样，消息队列的资源也必须自行删除，否则不会自动清除，因为system V IPC资源的生命周期是随内核的。
消息队列数据结构：
当然，系统当中也可能会存在大量的消息队列，系统一定也要为消息队列维护相关的内核数据结构。
消息队列的数据结构如下：
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 */
};可以看到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结构体的定义如下：
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;
};消息队列的创建：
创建消息队列我们需要用msgget函数：
msgget函数参数介绍：
key：表示带创建消息队列在系统的唯一标识。（跟共享内存差不多） msgflg：和shmget的第三个参数一样。
msgget函数返回值介绍：
创建消息队列成功则返回该消息队列的描述符。（用户级）
消息队列的释放：
释放消息队列我们需要用msgctl函数：
msgctl和shmctl用法基本相同。
向消息队列发送数据：
向消息队列发送数据我们需要用msgsnd函数：
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以下结构：
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。
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，表示获取到的数据块，是一个输出型参数。
- 第三个参数msgsz，表示要获取数据块的大小
- 第四个参数msgtyp，表示要接收数据块的类型。
msgrcv函数的返回值说明：
- msgsnd调用成功，返回实际获取到mtext数组中的字节数。
- msgsnd调用失败，返回-1。
system信号量:
信号量相关概念:
由于进程要求共享资源，而且有些资源需要互斥使用，因此各进程间竞争使用这些资源，进程的这种关系叫做进程互斥。 系统中某些资源一次只允许一个进程使用，称这样的资源为临界资源或互斥资源。 在进程中涉及到临界资源的程序段叫临界区。 IPC资源必须删除，否则不会自动删除，因为system V IPC的生命周期随内核。
信号量数据结构:
在系统当中也为信号量维护了相关的内核数据结构:
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：
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;
};信号量集的创建：
创建信号量集我们需要用semget函数：
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
信号量集的删除：
删除信号量集我们需要用semctl函数：
信号量集的操作：
对信号量集进行操作我们需要用semop函数：
进程互斥
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，但是也引入了新的问题，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，我们把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，以下面的伪代码进行解释：
根据以上代码，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，但是在进程A在访问共享内存时，若是进程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会被挂起，直到进程A访问共享内存结束后将sem加加，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操作，也就解决了临界资源的互斥问题。
实际上，代码中计数器sem减减的操作就叫做P操作，而计数器加加的操作就叫做V操作，P操作就是申请信号量，而V操作就是释放信号量。
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