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前言

正文：

1消息队列

1.1什么是消息队列？ 

1.2消息队列的数据结构 

1.3消息队列的相关接口 

1.3.1创建 

1.3.2释放 

1.3.3发送 

1.3.4接收 

1.4消息队列补充

2.信号量 

2.1什么是信号量 

2.2互斥相关概念 

2.3信号量的数据结构

2.4信号量相关接口 

2.4.1创建 

2.4.2释放

2.4.3操作

2.5信号量补充

3.深入理解 System V通信方式 

总结：

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前言

在 System V 通信标准中，还有一种通信方式：消息队列，以及一种实现互斥的工具：信号量；随着时代的发展，这些陈旧的标准都已经较少使用了，但作为 IPC 中的经典知识，我们可以对其做一个简单了解，扩展 IPC 的知识栈，尤其是 信号量，可以通过它，为以后多线程学习中 POSIX 信号量的学习做铺垫

正文：

1消息队列

1.1什么是消息队列？ 

 消息队列（Message Queuing）是一种比较特殊的通信方式，它不同于管道与共享内存那样借助一块空间进行数据读写，而是 在系统中创建了一个队列，这个队列的节点就是数据块，包含类型和信息

• 假设现在进程 A、B 想要通过消息队列进行通信，首先创建一个消息队列
• 然后进程 A 将自己想要发送给进程 B 的信息打包成数据块（其中包括发送方的信息），将数据块添加至消息队列队尾处
• 进程 B 同样也可以向消息队列中添加数据块，同时也会从消息队列中捕获其他进程的数据块，解析后进行读取，这样就完成了通信

 

 

遍历消息队列时，存数据块 还是 取数据块 取决于 数据块中的类型 type

注意： 消息队列跟共享内存一样，是由操作系统创建的，其生命周期不随进程，因此在使用结束后需要删除

下面有关于消息队列详解的文章

 

• 《什么是消息队列》
• 《消息队列详解》

1.2消息队列的数据结构 

同属于 System V 标准，消息队列也有属于自己的数据结构

注：msg 表示 消息队列

struct msqid_ds
{
	struct ipc_perm msg_perm;	/* Ownership and permissions */
	time_t msg_stime;			/* Time of last msgsnd(2) */
	time_t msg_rtime;			/* Time of last msgrcv(2) */
	time_t msg_ctime;			/* Time of last change */
	unsigned long __msg_cbytes; /* Current number of bytes in queue (nonstandard) */
	msgqnum_t msg_qnum;			/* Current number of messages in queue */
	msglen_t msg_qbytes;		/* Maximum number of bytes allowed in queue */
	pid_t msg_lspid;			/* PID of last msgsnd(2) */
	pid_t msg_lrpid;			/* PID of last msgrcv(2) */
};

 和 共享内存 一样，其中 struct ipc_perm 中存储了 消息队列的基本信息，具体包含内容如下：

struct ipc_perm
{
	key_t __key;		  /* Key supplied to msgget(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 */
};

可以通过 man msgctl 查看函数使用手册，其中就包含了 消息队列 的数据结构信息

1.3消息队列的相关接口 

 论标准的重要性，消息队列的大小接口风格与共享内存一致，都是出自 System V 标准

1.3.1创建 

 使用 msgget 函数创建 消息队列

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

int msgget(key_t key, int msgflg);

关于 msgget 函数

 

与 共享内存 的 shmget 可以说是十分相似了，关于 ftok 函数计算 key 值，这里就不再阐述，可以在这篇文章中学习 《Linux进程间通信【共享内存】》

简单使用函数 msgget 创建 消息队列，并使用 ipcs -q 指令查看资源情况

 

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

using namespace std;

int main()
{
    //创建消息队列
    int n = msgget(ftok("./", 668), IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
    if(n == -1)
    {
        cerr << "msgget fail!" << endl;
        exit(1);
    }
    return 0;
}

程序运行后，创建出了一个 msqid 为 0 的消息队列

因为此时并 没有使用消息队列进行通信，所以已使用字节 used-bytes 和 消息数 messages 都是 0

注意：

• 消息队列在创建时，也需要指定创建方式：IPC_CREAT、IPC_EXCL、权限 等信息
• 消息队列创建后，msqid也是随机生成的，大概率每次都不一样
• 消息队列生命周期也是随操作系统的，并不会因进程的结束而释放

1.3.2释放 

 

消息队列也有两种释放方式：通过指令释放、通过函数释放

释放指令：ipcrm -q msqid 释放消息队列，其他 System V 通信资源也可以这样释放

• ipcrm -m shmid 释放共享内存
• ipcrm -s semid 释放信号量集

 

释放函数：msgctl(msqid, IPC_RMID, NULL) 释放指定的消息队列，跟 shmctl 删除共享内存一样

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

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

 关于 msgctl 函数

 简单回顾下参数2部分可传递参数：

 

• IPC_RMID 表示删除共享内存
• IPC_STAT 用于获取或设置所控制共享内存的数据结构
• 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 数据结构中的值

同样的，消息队列 = 消息队列的内核数据结构（struct msqid_ds） + 真正开辟的空间

1.3.3发送 

 利用消息队列发送信息，即 将信息打包成数据块，入队尾，所使用函数为 msgsnd

 

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

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

 关于 msgsnd 函数

 

 参数2 表示待发送的数据块，这显然是一个结构体类型，需要自己定义，结构如下：

 

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

mtype 就是传说中数据块类型，据发送方而设定；mtex 是一个比较特殊的东西：柔性数组，其中存储待发送的 信息，因为是 柔性数组，所以可以根据 信息 的大小灵活调整数组的大小

1.3.4接收 

 消息发送后，总得接收吧，既然发送是往队尾中添加数据块，那么接收就是 从队头中取数据块，假设所取数据块为自己发送的，那么就不进行操作，其他情况则取出数据块，使用 msgrcv 函数接收信息

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

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

关于 msgrcv 函数

同样的，接收的数据结构如下所示，也包含了 类型 和 柔性数组

 

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

1.4消息队列补充

 System V 版的 消息队列 使用起来比较麻烦，并且过于陈旧，现在已经较少使用了，所以我们不必对其进行深究，知道个大概就行了，如果实际中真遇到了，再查文档也不迟

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2.信号量 

2.1什么是信号量 

 信号量（semaphore）一种特殊的工具，主要用于实现 同步和互斥

信号量 又称 信号灯，是各大高校《操作系统》课程中老师提及的高频知识点，往往伴随着 P、V 操作出现，但大多数老师都只是提及了基本概念，并未对 信号量 的本质及使用场景作出详细讲解

在正式学习 信号量 相关知识前，需要先简单了解下 互斥相关四个概念，为后续 多线程中信号量的学习作铺垫（重点）

2.2互斥相关概念 

1、并发 是指系统中同时存在多个独立的活动单元

• 比如在多线程中，多个执行流可以同时执行代码，可能访问同一份共享资源

2、互斥 是指同一时刻只允许一个活动单元使用共享资源

• 即在任何一个时刻，都只允许一个执行流进行共享资源的访问（可以通过加锁实现）

3、临界资源 与 临界区，多执行流环境中的共享资源就是 临界资源，涉及 临界资源 操作的代码区间即 临界区

• 在多线程环境中，全局变量就是 临界资源，对全局变量的修改、访问代码属于 临界区

4、原子性：只允许存在 成功 和 失败 两种状态

• 比如对变量的修改，要么修改成功，要么修改失败，不会存在修改一半被切走的状态

 所以 互斥 是为了解决 临界资源 在多执行流环境中的并发访问问题，需要借助 互斥锁 或 信号量 等工具实现 原子操作，实现 互斥

 

 

关于互斥锁（mutex） 的相关知识在 多线程 中介绍，现在先来学习 信号量，搞清楚它是如何实现 互斥 的

2.3信号量的数据结构

 下面来看看 信号量 的数据结构，通过 man semctl 进行查看

 sem 表示 信号量

struct semid_ds
{
    struct ipc_perm sem_perm; /* Ownership and permissions */
    time_t sem_otime;         /* Last semop time */
    time_t sem_ctime;         /* Last change time */
    unsigned long sem_nsems;  /* No. of semaphores in set */
};

System V 家族基本规矩，struct ipc_perm 中存储了 信号量的基本信息，具体包含内容如下：

 

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 */
};

 显然，无论是 共享内存、消息队列、信号量，它们的 ipc_perm 结构体中的内容都是一模一样的，结构上的统一可以带来管理上的便利，具体原因可以接着往下看

2.4信号量相关接口 

2.4.1创建 

 信号量的申请比较特殊，一次可以申请多个信息量，官方称此为 信号量集，所使用函数为 semget

 

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

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

关于 semget 函数

除了参数2，其他基本与另外俩兄弟一模一样，实际传递时，一般传 1，表示只创建一个 信号量

使用函数创建 信号量集，并通过指令 ipcs -s 查看创建的 信号量集 信息

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

using namespace std;

int main()
{
    //创建一个信号量
    int n = semget(ftok("./", 668), 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
    if(n == -1)
    {
        cerr << "semget fail!" << endl;
        exit(1);
    }
    return 0;
}

程序运行后，创建了一个 信号量集，nsems 为 1，表示在当前 信号量集 中只有一个 信号量

• 信号量集在创建时，也需要指定创建方式：IPC_CREAT、IPC_EXCL、权限 等信息
• 信号量集创建后，semid也是随机生成的，大概率每次都不一样
• 信号量集生命周期也是随操作系统的，并不会因进程的结束而释放

2.4.2释放

老方法： 指令释放：直接通过指令 ipcrm -s semid 释放信号量集（略）

通过函数释放：semctl(semid, semnum, IPC_RMID)，信号量中的控制函数有一点不一样

 

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

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

 关于 semctl 函数

注意：

• 参数2 表示信号量集中的某个信号量编号，从 1 开始编号
• 参数3 中可传递的动作与共享内存、消息队列一致
• 参数4 就像 printf 和 scanf 中最后一个参数一样，可以灵活使用

2.4.3操作

信号量的操纵比较ex，也比较麻烦，所以仅作了解即可

使用 semop 函数对 信号量 进行诸如 +1、-1 的基本操作

 

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

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

 关于 semop 函数

重点在于参数2，这是一个结构体，具体成员如下：

unsigned short sem_num;  /* semaphore number */
short          sem_op;   /* semaphore operation */
short          sem_flg;  /* operation flags */

其中包含信号量编号、操作等信息，需要我们自己设计出一个结构体，然后传给 semop 函数使用

可以简单理解为：sem_op 就是要进行的操作，如果将 sem_op 设为 -1，表示信号量 -1（申请），同理 +1 表示信号量 +1（归还）

2.5信号量补充

 

信号量 是实现 互斥 的其中一种方法，具体表现为：资源申请，计数器 -1，资源归还，计数器 +1，只有在计数器不为 0 的情况下，才能进行资源申请，可以设计 二元信号量 实现 互斥

System V 中的 信号量 操作比较麻烦，但 信号量 的思想还是值得一学的，等后面学习 多线程 时，也会使用 POSIX 中的 信号量 实现 互斥，相比之下，POSIX 版的信号量操作要简单得多，同时应用也更为广泛

因为 信号量 需要被多个独立进程看到，所以 信号量 本身也是 临界资源，不过它是 原子 的，所以可以用于 互斥

多个独立进程看到同一份资源，这就是 IPC 的目标，所以 信号量 被划分至进程间通信中

 

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3.深入理解 System V通信方式 

 不难发现，共享内存、消息队列、信号量的数据结构基本一致，并且都有同一个成员 struct ipc_perm，所以实际对于 操作系统 来说，对 System V 中各种方式的描述管理只需要这样做

• 将 共享内存、消息队列、信号量对象描述后，统一存入数组中
• 再进行指定对象创建时，只需要根据 ipc_id_arr[n]->__key 进行比对，即可当前对象是否被创建！
• 因为 struct shmid_ds 与 struct ipc_perm shm_perm 的地址一致（其他对象也一样），所以可以对当前位置的指针进行强转：((struct shmid_ds)ipc_id_arr[0]) 即可访问 shmid_ds 中的成员，这不就是多态中的虚表吗？

这样一来，操作系统可以只根据一个地址，灵活访问 两个结构体中的内容，比如 struct ipc_perm shm_perm 和 struct shmid_ds，并且操作系统还把多种不同的对象，描述融合入了一个 ipc_id_arr 指针数组中，真正做到了 高效管理

注：默认 ipc_id_arr[n] 访问的是 struct ipc_perm 中的成员

注：上述图示只是一个草图，目的是为了辅助理解原理，并非操作系统中真实样貌

操作系统在进行比较判断时，如何判断类型呢？

这就是操作系统设计的巧妙之处了，ipc_id_arr 没那么简单，它会存储对象的相应类型信息
通过下标（id） 访问对象，这与文件系统中的机制不谋而合，不过实现上略有差异，间接导致 System V 的管理系统被边缘化（历史选择了文件系统）

shmid、msqid 和 semid 都是 ipc_id_arr 的下标，为什么值很大呢？

在进行查找时，会将这些 id % 数组大小 进行转换，确保不会发生越界，事实上，这个值与开机时间有关，开机越长，值越大，当然到了一定程度后，会重新轮回

总结：

上面就是关于信号量部分的内容，有个大概了解就行。