【Linux系统编程】第三十七弹---深入理解System V IPC机制：消息队列、信号量与共享内存的实战解析

system V 消息队列：什么是System V消息队列，基本原理；system V信号量：基本概念，主要操作，相关函数；共享内存，消息队列，信号量~~~

小林熬夜学编程

1025人浏览 · 2024-10-25 10:15:32

小林熬夜学编程 · 2024-10-25 10:15:32 发布

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1、system V 消息队列

在Linux系统中，进程间通信（IPC）是一个关键机制，它允许不同的进程间交换数据和信号。System V消息队列是这些IPC机制中的一种，它提供了一个通过消息进行同步和通信的方式。

1.1、什么是System V消息队列

System V消息队列是UNIX和类UNIX系统（如Linux）中一种经典的IPC机制，它允许多个进程通过发送和接收消息来进行通信。这些消息队列是由内核管理的，它们为进程提供了一个可靠的数据交换方式。

1.2、基本原理

一个进程向另一个进程发送有类型数据块的方式。

1.2.1、消息队列的结构

在System V消息队列中，每个消息队列都由一个消息队列描述符（通常是一个整数值）来标识。消息本身则是一个固定大小的数据块，由两部分组成：消息类型（message type）和消息数据（message data）。消息类型是一个正整数，用于对消息进行分类，使得消费者可以根据消息类型来选择性地接收消息。

1.2.2、消息队列的操作

System V消息队列提供了以下基本操作：

创建或打开消息队列：使用msgget()系统调用。如果指定的消息队列不存在，且调用者有足够的权限，msgget()将创建一个新的消息队列。

// 创建一个消息队列

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

int msgget(key_t key, int msgflg);

参数：
    key：使用 "key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);"函数获取key值
    msgflg: IPC_CREAT  IPC_EXCL  ，原理同共享内存

返回值：
    成功返回0，失败返回-1并更新错误码

// 获取key值
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>

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

返回值：
    成功返回key值，失败返回-1并更新错误码

发送消息：使用msgsnd()系统调用。它将一个消息发送到指定的消息队列中。如果队列已满（达到了系统允许的最大消息数），则发送操作可能会被阻塞或立即返回错误。

发送接收消息相关头文件

msgrcv, msgsnd - 消息队列操作
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

发送消息函数讲解

// 向指定消息队列发送消息
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);

参数：
    msgp:
    msqid：消息队列的标识符，是一个由 msgget() 函数返回的非负整数。
    msgp：指向消息缓冲区的指针，该缓冲区包含了要发送的消息。
消息缓冲区必须以 struct msgbuf 的形式组织，但通常使用更具体的结构体来匹配消息的实际内容。
struct msgbuf 通常至少包含 long mtype;（消息类型）和 char mtext[1];
（消息数据，实际大小可变）两个字段。
struct msgbuf {
               long mtype;       /* message type, must be > 0 */
               char mtext[1];    /* message data */
           };
    msgsz：消息数据部分的大小（不包括消息类型字段）。
    msgflg：控制 msgsnd() 行为的标志。如果设置了 IPC_NOWAIT 标志，
则 msgsnd() 在队列满时将不会阻塞；相反，它会立即返回一个错误。
如果没有设置 IPC_NOWAIT，则 msgsnd() 可能会阻塞。

返回值：
    成功时，msgsnd() 返回 0。
    出错时，返回 -1，并设置 errno 以指示错误的原因。可能的错误包括 
EAGAIN（在非阻塞模式下队列已满）、EIDRM（消息队列已被删除）、
EINTR（调用被信号中断）、EINVAL（消息大小无效或消息类型小于 0）、
EMSGSIZE（消息太大，无法放入队列）以及 EPERM（调用进程没有写权限）。

接收消息：使用msgrcv()系统调用。它从指定的消息队列中接收一个消息。消费者可以根据消息类型来过滤接收到的消息。

接收消息函数讲解

// 接收消息

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

参数
    msqid：消息队列的标识符，是一个由 msgget() 函数返回的非负整数。
    msgp：指向消息缓冲区的指针，该缓冲区用于存储接收到的消息。
消息缓冲区必须以 struct msgbuf 的形式组织，但通常使用更具体的结构体来匹配消息的实际内容。
struct msgbuf 通常至少包含 long mtype;（消息类型）和 char mtext[1];
（消息数据，实际大小可变）两个字段。

    msgsz：缓冲区的大小（以字节为单位），它指定了 msgp 指向的缓冲区能够接收的最大消息数据量
（不包括消息类型字段）。
    msgtyp：用于指定接收消息的类型。其值可以有以下几种情况：
        0：接收队列中的第一个消息（不考虑消息类型）。
        大于0：接收队列中类型等于 msgtyp 的第一个消息。
        小于0：接收队列中类型值不大于 msgtyp 绝对值的最低优先级消息
（即类型值最小且不大于 msgtyp 绝对值的消息）。

    msgflg：控制 msgrcv() 行为的标志。如果设置了 IPC_NOWAIT 标志，
则 msgrcv() 在没有符合条件的消息时将不会阻塞；相反，它会立即返回一个错误。
如果没有设置 IPC_NOWAIT，则 msgrcv() 可能会阻塞。

返回值
    成功时，msgrcv() 返回实际接收到的消息数据的长度（不包括消息类型字段）。
    出错时，返回 -1，并设置 errno 以指示错误的原因。可能的错误包括 
EAGAIN（在非阻塞模式下没有符合条件的消息）、EIDRM（消息队列已被删除）、
EINTR（调用被信号中断）、ENOMSG（在非阻塞模式下且队列为空时尝试接收消息）、
EBADF（无效的消息队列标识符）等。

控制消息队列：使用msgctl()系统调用。它允许进程对消息队列执行各种控制操作，如删除队列、获取队列状态等。

msgctl - 控制消息队列

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

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

参数:
    msqid：消息队列的标识符，是一个由 msgget() 函数返回的非负整数。
    cmd：指定要执行的操作。对于删除消息队列，应使用 IPC_RMID 命令。
    buf：指向 struct msqid_ds 结构体的指针。对于 IPC_RMID 命令，这个参数可以是 NULL，
因为删除操作不需要修改消息队列的属性。然而，在一些系统或上下文中，
为了保持代码的一致性和健壮性，建议总是传递一个有效的 struct msqid_ds 指针，
并将其内容初始化为零（尽管在这种情况下，内核可能会忽略它）。

返回值:
    成功时，msgctl() 返回 0。
    出错时，返回 -1，并设置 errno 以指示错误的原因。可能的错误包括 
EINVAL（无效的消息队列标识符或命令）、EIDRM（消息队列已被删除）、
EPERM（调用进程没有相应的权限）等。

1.2.3、补充知识

消息队列声明周期也是随内核的，进程结束前不删除消息队列需要手动删除(命令！！！

ipcs -q # 查看消息队列属性信息
ipcrm -q msgid # 删除消息队列

[root@ubuntu:Msg]# ipcs -q

------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages

    关键字（key）：用于在创建消息队列时指定一个唯一的标识符。
这个关键字可以是任何整数值，但通常使用ftok()函数生成，以确保其唯一性。
    消息队列ID（msqid）：每个消息队列都有一个唯一的标识符（ID），
用于区分系统中的其他消息队列。
    所有者（owner）：显示创建消息队列的用户ID（UID）和组ID（GID），
表示该消息队列的拥有者。
    权限（perms）：表示消息队列的访问权限，类似于文件系统的权限设置。
这些权限决定了哪些用户或组可以访问（读、写或控制）该消息队列。
    已用字节数（used-bytes）：表示当前消息队列中已经占用的字节总数。
这有助于了解消息队列的使用情况。
    消息数量（messages）：表示消息队列中当前存储的消息总数。
这是衡量消息队列负载的重要指标。

2、system V信号量

System V信号量是一种用于进程间通信（IPC）和同步的机制，它主要用于控制对共享资源的访问，解决竞争条件和死锁等并发编程中的问题。以下是对System V信号量的详细讲解：

2.1、基本概念

信号量集：System V信号量以信号量集的形式存在，一个信号量集可以包含多个信号量，每个信号量都可以独立地进行操作。
信号量类型：
- 二元信号量：其值只能为0或1，类似于互斥锁，用于控制单个资源的访问。
- 计数信号量：其值在0和某个限制值之间，表示可用资源的数量。

补充5个概念：

1、多个执行流(进程)能看的一份资源：共享资源

2、被保护起来的资源：临界资源；临界资源的两个特性：同步和互斥；用互斥的方式保护共享资源：临界资源

3、互斥：任何时候只能有一个进程在访问共享资源

4、资源 --- 要被程序员访问 --- 资源被访问，朴素的认识就是通过代码访问，代码 = 访问共享资源的代码(临界区) + 不访问共享资源的代码(非临界区)

5、所谓对共享资源进行保护，本质是对访问共享资源的代码进行保护

对信号量的理论理解

信号量(信号灯) --- 保护临界资源(code)

信号量本质是一个计数器

使用生活中看电影来理解信号量：

普通用户去电影院看电影

1、先买票
2、让买票人(执行流)和座位(资源)一一对应 (程序员编码实现)，不关心

看电影买票的本质：是对资源的预定机制！

最担心超过资源个数的买票！

int count = 25; // 总共25张票
if(count > 0) count--;
else wait;
// 购票

电影院：共享资源(临界资源)
买票：申请信号量
票数：信号量初始值

申请信号量的本质是对公共资源的一种预定机制！！！

超级VIP去电影院看电影

使用信号量的通信过程：

1、申请信号量
2、访问共享内存
3、释放信号量

信号量是一个计数器，能不能使用全局变量 gcount 标记信号量？

不能！！！

1、因为全局变量不能让所有进程看到。因此有了信号量，和共享内存，消息队列一样，必须先让不同的进程看到同一块资源(计数器)。意味着信号量也是一个公共资源，作用是保护临界资源的安全，前提自己得是安全的！！！

2、gcount ++/--不是原子(要么执行要么不执行)的。

2.2、主要操作

System V信号量支持两种基本操作：P（也称为wait或down）操作和V（也称为signal或up）操作。

P操作：
- 用于获取（或等待）一个信号量。
- 如果信号量的值大于0，则将其减一，并允许进程继续执行。
- 如果信号量的值已经是0，则阻塞当前进程，直到信号量的值变为非0（即有其他进程释放了信号量），然后再将其减一。
V操作：
- 用于释放（或增加）一个信号量。
- 将信号量的值加一。
- 如果有其他进程因为等待该信号量而被阻塞，则唤醒其中一个被阻塞的进程。

2.3、相关函数

1、semget：
- 用于创建或获取一个System V信号量集。
- 参数包括唯一标识信号量集的键值、信号量集中的信号量数量以及控制函数行为的标志位（如IPC_CREAT和IPC_EXCL）。

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

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

参数：
    key：这是一个关键参数，用于标识信号量集。
    nsems：指定需要创建或检查的信号量的数量。当创建一个新的信号量集时，
这个参数指定了集合中信号量的数量。如果是获取一个已存在的信号量集，
这个参数通常被设置为0，因为不需要改变已有信号量集的大小。
    semflg：这个参数控制信号量集的访问权限和状态。

返回值
    成功时：semget函数返回信号量集的标识符（一个非负整数），
该标识符用于后续的信号量操作（如semop和semctl）。
    失败时：semget函数返回-1，并设置errno以指示错误类型。

2、semctl：
- 对一个信号量执行各种控制操作，如获取或设置信号量的值、获取信号量集的状态信息等。
- 常见的操作包括GETVAL（获取信号量的当前值）、SETVAL（设置信号量的值）、IPC_RMID（删除信号量集）等。

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

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

四个参数：
    semid：信号量集的标识符（ID），由semget函数返回。
    semnum：操作信号在信号集中的编号，从0开始。
    cmd：指定要执行的控制命令。
    ...：第四个参数根据cmd的不同而变化，可能是指向特定数据结构的指针，用于传递额外的信息或数据。

参数cmd：
    PC_STAT：读取一个信号量集的数据结构semid_ds，并将其存储在semun中的buf参数中。
这允许调用者获取信号量集的当前状态信息。
    struct semid_ds {
               struct ipc_perm sem_perm;  /* Ownership and permissions */
               time_t          sem_otime; /* Last semop time */
               time_t          sem_ctime; /* Creation time/time of last
                                             modification via semctl() */
               unsigned long   sem_nsems; /* No. of semaphores in set */
           };
    IPC_SET：设置信号量集的数据结构semid_ds中的元素ipc_perm，其值取自semun中的buf参数。
这允许调用者更改信号量集的权限等属性。
    struct ipc_perm {
               key_t          __key; /* Key supplied to semget(2) */
               uid_t          uid;   /* Effective UID of owner */
               gid_t          gid;   /* Effective GID of owner */
               uid_t          cuid;  /* Effective UID of creator */
               gid_t          cgid;  /* Effective GID of creator */
               unsigned short mode;  /* Permissions */
               unsigned short __seq; /* Sequence number */
           };
    IPC_RMID：将信号量集从内存中删除。这个操作会唤醒所有因调用semop()
而阻塞在该信号量集合里的进程（这些调用会返回错误，并且errno被设置为EIDRM）。

3、semop：
- 用于执行P和V操作。
- 通过一个指向sembuf结构体的指针数组来指定要操作的信号量、操作类型（P或V）以及SEM_UNDO标志（用于在系统崩溃时自动恢复信号量的值）。

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

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

参数：
    semid：信号量集的标识符（ID），由semget函数返回。
    sops：指向sembuf结构体数组的指针，该数组包含了要执行的操作序列。
sembuf结构体通常包含三个成员：sem_num（信号量在信号集中的编号）、
sem_op（要执行的操作，正数表示V操作，负数表示P操作，0表示等待信号量变为0）、
sem_flg（操作标志，如IPC_NOWAIT表示非阻塞操作，
SEM_UNDO表示在进程结束时自动撤销对该信号量的修改）。
    nsops：sops数组中sembuf结构体的数量，即要执行的操作个数。

函数功能：
    semop函数按照sops数组中sembuf结构体的顺序，原子性地执行指定的操作序列。
这意味着，要么所有操作都成功执行，要么都不执行，从而保证了操作的原子性。

    当sem_op为正数时，表示V操作，即释放资源。如果信号量的值加上sem_op后
不会超出其允许的最大值，则操作成功，信号量的值相应增加。
    当sem_op为负数时，表示P操作，即请求资源。如果信号量的绝对值
大于或等于sem_op的绝对值，则操作成功，信号量的值相应减少。如果信号量的值
小于sem_op的绝对值，且sem_flg中未设置IPC_NOWAIT标志，则调用进程将被阻塞，
直到信号量的值变为足够大或信号量集被删除。
    当sem_op为0时，semop函数将检查信号量的值是否为0。如果是，
并且sem_flg中未设置IPC_NOWAIT标志，则调用进程将被阻塞，
直到信号量的值变为非零。如果设置了IPC_NOWAIT标志，
则函数将立即返回，并设置errno为EAGAIN。

返回值
    成功执行时，semop函数返回0。
    失败时，semop函数返回-1，并设置errno以指示错误类型。
可能的错误值包括EACCES（权限不足）、
EAGAIN（资源暂时不可用且设置了IPC_NOWAIT标志）、EINVAL（无效参数）、
EIDRM（信号量集已被删除）等。

信号量指令：

[root@ubuntu:Msg]# ipcs -s # 查看信号量属性信息

------ Semaphore Arrays --------
key        semid      owner      perms      nsems 

键（key）：用于创建信号量集时指定的键，它是信号量集在系统中的一个引用或名称。
信号量集ID（semid）：这是信号量集的唯一标识符，用于在系统中唯一标识一个信号量集。
不同的进程可以通过相同的键来访问同一个信号量集。
拥有者（owner）：信号量集的创建者或当前所有者，通常表示为UID（用户ID）和GID（组ID）。
权限（perms）：信号量集的权限设置，类似于文件的权限设置，用于控制哪些进程可以访问信号量集。
信号量数量（nsems）：信号量集中包含的信号量个数，这取决于信号量集在创建时的设置。

ipcrm -s semid # 删除指定信号量集

[root@ubuntu:Msg]# ipcs # 查看进程间通信属性信息

------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages    

------ Shared Memory Segments --------
key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status      

------ Semaphore Arrays --------
key        semid      owner      perms      nsems