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System V IPC 是Linux系統中一種重要的進程間通信機制，它主要包括共享內存 shm，消息隊列 msg，信號量 sem。本博客講解基于System V的進程間通信。

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共享內存 shm

共享內存，顧名思義就是一塊被多個進程共享的內存，由于進程間具有獨立性，毫無疑問這一塊內存不應該由某一個進程進行開辟，而是由操作系統親自開辟。

如上圖，共享內存會被進程的頁表直接映射到自己的進程地址空間的共享區，從而通過地址空間直接對內存操作，這就是多個進程共享一塊內存的基本原理。

那么我們現在就來看看如何創建出一個共享內存shm：

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創建共享內存

shmget

shmget 函數是 shm 中用于創建或獲取共享內存段的函數。需要頭文件<sys/ipc.h>和<sys/shm.h>函數原型如下：

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

返回值：

shmget返回一個整型，這個整型叫做shmid，用于標識唯一的shm。

1. key： 用于標識要創建或獲取的共享內存段

key是System V的唯一標識符，注意不是shm的，而是所有System V的，你可以通過一個key值來標識任意一個system V。

• 標識唯一的shm是shmid
• 標識唯一的system V是key

2. size： 指定要創建的共享內存段的大小，單位為字節

注意：共享內存以4 kb為基本單位開辟內存，也就是4096 byte，因此開辟shm的時候，這個參數最好設置為4096的倍數。哪怕你只申請了1 byte的內存，實際上還是會開辟4096 byte大小的空間。

3. shmflg： 用于指定共享內存段的訪問權限和其他選項

這是一個用于控制共享內存的開辟方式，以及各個屬性的選項，本質是一個位圖。

• IPC_CREAT： 如果指定的key不存在，則創建一個新的共享內存段，如果已經存在，則直接獲得原先的共享內存

• IPC_EXCL： 如果指定的key已經存在，則創建失敗

要注意IPC_EXCL只能配合IPC_CREAT一起使用，不能單獨使用IPC_EXCL。

另外的，共享內存也可以設置讀寫權限，直接將權限值的八進制按位或到第三個參數中即可。

示例：

int main()
{int shmid = shmget(1, 4096, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);return 0;
}

以上函數中，就是一個簡單的創建共享內存的過程：

• 第一個參數1：即這個共享內存的system V標識符key = 1；
• 第二個參數傳入4096：即開辟的共享內存大小為4096 byte；
• 第三個參數為IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666：如果當前的key不存在，則創建對應的共享內存，共享內存的初始權限為0666，如果存在，則創建失敗。

那么我們要如何知道成功創建了一個共享內存呢？

通過ipcs指令，可以看當前所有的system V的總體情況：

如果只想看共享內存，則輸入ipcs -m：

可以看到，我們創建了一個共享內存，key = 0x00000001，shmid = 2，擁有者onwer = box-he，初始權限perm = 666，大小bytes = 4096。

那么現在有一個問題就是：我們的進程已經結束了，但是進程創建的共享內存還在！

也就是說，共享內存如果不主動釋放，那么共享內存就會一直存在，除非重啟操作系統。這個特性叫做：共享內存的生命周期隨內核。

如果想要刪除一個共享內存，有兩種方式：通過指令 / 通過接口。

通過ipcrm -m xxx，可以刪除shmid為xxx的共享內存。

示例：

一開始存在一個shmid = 2的共享內存，通過指令ipcrm -m 2，就可以刪除這個共享內存了。

如果想要通過接口刪除共享內存，則通過shmctl接口。

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shmctl

shmctl 用于控制共享內存的各種屬性。

其包含以下功能：

• 獲取共享內存段的狀態信息
• 修改共享內存段的屬性
• 刪除共享內存段

shmctl包含在頭文件<sys/ipc.h>和<sys/shm.h>中，函數原型如下：

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

返回值：

• 成功時返回 0
• 失敗時返回 -1，并設置 errno 變量

參數如下：

• shmid：要操作的共享內存段的標識符

• cmd：要執行的操作,可以是以下值之一：
  - IPC_STAT：獲取共享內存段的狀態信息
  - IPC_SET：設置共享內存段的某些屬性
  - IPC_RMID：刪除共享內存段

• buf：指向 shmid_ds 結構體的指針，用于存儲或設置共享內存段的屬性

在講解以上三種模式前，要先介紹一下一個結構體shmid_ds。

struct shmid_ds {struct ipc_perm shm_perm;    /* Ownership and permissions */size_t          shm_segsz;   /* Size of segment (bytes) */time_t          shm_atime;   /* Last attach time */time_t          shm_dtime;   /* Last detach time */time_t          shm_ctime;   /* Last change time */pid_t           shm_cpid;    /* PID of creator */pid_t           shm_lpid;    /* PID of last shmat(2)/shmdt(2) */shmatt_t        shm_nattch;  /* No. of current attaches */...
};

shmid_ds 是一個Linux中給共享內存定義的結構體，這個結構體用于存儲一個共享內存的基本信息。

當第二個參數cmd為IPC_STAT，此時就可以獲取一個共享內存的基本信息。

示例：

int main()
{int id = shmget(1, 4096, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);struct shmid_ds shm;shmctl(id, IPC_STAT, &shm);cout << "atime:" << shm.shm_atime << endl;cout << "ctime:" << shm.shm_ctime << endl;cout << "cpid:" << shm.shm_cpid << endl;return 0;
}

輸出結果：

以上示例中，通過一個struct shmid_ds類型的結構體變量shm，通過調用shmctl(id, IPC_STAT, &shm);獲取到了這個共享內存的相關信息。

其中shmctl(id, IPC_STAT, &shm);
第一個參數id：要控制的共享內存的shmid
第二個參數IPC_STAT：表示當前shmctl的作用是獲取共享內存相關信息
第三個參數&shm：表示獲取到的信息存入變量shm中

當第二個參數cmd為IPC_SET，就可以設置共享內存的某些屬性

示例：

int main()
{int id = shmget(1, 4096, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);struct shmid_ds shm;shmctl(id, IPC_STAT, &shm);cout << "atime:" << shm.shm_atime << endl;shm.shm_atime = 1 ;//修改shm信息shmctl(id, IPC_SET, &shm);//重新獲取shm信息shmctl(id, IPC_STAT, &shm);cout << "atime:" << shm.shm_atime << endl;return 0;
}

一開始通過shmctl(id, IPC_STAT, &shm);把共享內存的相關信息存儲到了結構體shm中，然后把結構體的shm_atime 成員設置為1。

再通過shmctl(id, IPC_SET, &shm);把共享內存的信息設置成和shm一致，此時第二個參數為IPC_SET。

第三次調用shmctl(id, IPC_STAT, &shm);，此時再把共享內存的信息同步到shm中，最后輸出shm的shm_atime 成員。

輸出結果：

可以看到，當第二個參數為IPC_SET時，可以修改共享內存的相關屬性。

當第二個參數為IPC_RMID，表示要刪除共享內存段

此時由于我們要刪除共享內存，第三個參數就用不上了，此時設置為空指針即可。

示例：

int main()
{shmctl(3, IPC_RMID, nullptr);return 0;
}

以上代碼中shmctl(3, IPC_RMID, nullptr);就表示要刪除shmid = 3的共享內存。

輸出結果：

一開始存在一個shmid = 3 的共享內存，經過./test.exe后，這個共享內存就被刪除了，也就是執行了shmctl(3, IPC_RMID, nullptr);。

最后再看一次第二個參數的作用：

• cmd：要執行的操作,可以是以下值之一：
  - IPC_STAT：獲取共享內存段的狀態信息
  - IPC_SET：設置共享內存段的某些屬性
  - IPC_RMID：刪除共享內存段

現在應該可以理解三種情況的作用了。

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ftok

創建之前所有示例中，通過shmget創建共享內存時，第一個參數key我都設置為了1，但其實這是非常不符合規范的。操作系統中存在非常多的進程，如果多個進程通過system V通信，那就不能使用相同的key值，如果key設置的太簡單，就很容易沖突。

ftok函數，就利用算法生成不易重復的key值。

使用ftok函數需要頭文件<sys/types.h>和<sys/ipc.h>，函數原型如下：

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

參數：

• pathname：當前操作系統下的某一條路徑
• proj_id：一個數字

也就是說，只要傳入一個路徑和一個數字，ftok就會生成一個key值。

示例：

int main()
{key_t key = ftok("./test.cpp", 1);cout << key << endl;return 0;
}

利用相對路徑，使用了路徑./test.cpp作為第一個參數，第二個參數設置為了1，最后輸出ftok生成的key值。

輸出結果：

最后生成的key值為17003535。

要注意的是，path必須是一個存在的路徑，ftok函數會利用路徑所指向的文件的屬性，以及傳入的第二個參數，一起來產生這個key值。

需要進程間通信的雙方，只需要事先約定好這個path以及第二個整型，就可以利用ftok產生相同的key值，進而訪問同一塊共享內存了。

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到目前為止，我們只是講解了如何來開辟一個共享內存，還沒有真正使用這一塊共享內存來實現進程間通信

也就是下圖中的藍色部分：

接下來就看看如何使用這一塊共享內存。

掛接共享內存

shmat

共享內存是被直接映射到進程地址空間的共享區的，進程可以通過訪問進程地址空間來訪問共享內存，那么現在的問題就是：如何讓一個內存映射到進程地址空間中？這個把共享內存映射到進程地址空間的過程，叫做掛接共享內存。

掛接共享內存需要通過shmat接口實現，需要頭文件<sys/types.h>和<sys/shm.h>，函數原型如下：

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

參數：

• shmid：即被掛接的共享內存的shmid
• shmaddr：指明這個共享內存要掛接到哪一個地址，一般來說我們不會主動指定地址，這個參數直接傳入空指針即可，操作系統會自動幫我們選擇合適的地址掛接
• shmflg：掛接共享內存的模式，
  • 傳入0：以讀寫的方式掛接共享內存
  • 傳入SHM_RDONLY：以只讀的方式掛接共享內存

返回值：

• 如果掛接共享內存出錯，返回-1
• 如果掛接共享內存成功，返回掛接后共享內存的地址

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shmdt

如果你想要取消對共享內存的掛接，使用shmdt接口即可，需要頭文件<sys/types.h>和<sys/shm.h>，函數原型如下：

int shmdt(const void *shmaddr);

只需要把掛接到的共享內存的地址傳入shmdt即可取消掛接。

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現在我們就利用共享內存來完成一次進程間通信，現有A.exe和B.exe兩個進程，A負責發送消息，B負責接收消息。

A進程代碼如下：

int main()
{key_t key = ftok("./test.cpp", 1);int shmid = shmget(key, 4096, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);char* ptr = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);for(int ch = 'A'; ch <= 'Z'; ch++){ptr[ch - 'A'] = ch;sleep(1);}shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr);return 0;
}

一開始A通過ftok生成了一個key值，然后利用shmget生成了一個共享內存，再用shmat將共享內存掛接到進程地址空間，此時ptr指針就指向這個共享內存了，隨后利用循環將字母A - Z寫入共享內存中，每秒寫入一個。最后利用shmctl關閉共享內存。

B進程代碼如下：

int main()
{key_t key = ftok("./test.cpp", 1);int shmid = shmget(key, 4096, IPC_CREAT);char* ptr = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);while(true){cout << ptr << endl;sleep(5);}return 0;
}

B進程也通過ftok生成了key值，由于參數都是"./test.cpp"和1，所以生成的key和A一定是一樣的。

隨后通過shmget獲得共享內存的shmid，這個共享內存是由A維護的，因此B只需要拿到shmid即可，共享內存的創建和銷毀都由A來控制。

隨后B進程在一個循環中，每隔五秒讀取一次共享內存。

輸出結果：

可以看到，A進程向共享內存寫入的數據，此時就可以被B拿到了，這就是基于共享內存shm的進程間通信。

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shm特性

共享內存有以下一些主要特性：

1. 內存共享：多個進程可以同時訪問和修改同一塊共享內存區域。這種共享內存機制可以讓進程之間高效地交換數據,而無需通過系統調用或者其他進程間通信機制。

2. 快速訪問：相比于其他進程間通信機制，如管道、消息隊列等，共享內存的訪問速度更快，因為數據直接存儲在內存中，不需要進行數據的拷貝和上下文切換。

3. 靈活性：共享內存可以在進程之間自由分配和管理，大小和位置都可以靈活設置。這種靈活性使得共享內存非常適合用于復雜的進程間通信場景。

4. 同步問題：多個進程可以并發訪問和修改共享內存，因此需要使用信號量、互斥鎖等同步機制來協調對共享內存的訪問，避免數據競爭和不一致性問題。

5. 內存分配：共享內存是由內核管理的，進程無法直接分配和釋放共享內存，必須通過系統調用如 shmget() 和 shmctl() 來完成。

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system V 的后兩種通信方式消息隊列 msg和信號量 sem都非常不常用了，本博客中只是簡單講解，不深入研究。

消息隊列 msg

消息隊列顧名思義，是一個被操作系統維護的隊列：

進程可以向消息隊列中寫入或者讀取消息，上圖中，每個黃色的小方塊就是一條消息，在消息的頭部會有一個區域用于標識，這條消息是哪一個進程發出的。

msgget

msgget 用于創建一個消息隊列，需要頭文件<sys/types.h>、<sys/ipc.h>和<sys/msg.h>，函數原型如下：

int msgget(key_t key, int msgflg);

返回值：

msgget返回一個整型，這個整型叫做msgid，用于標識唯一的msg。

參數：

• key：即標識唯一的system V的key值

• msgflg： 用于指定消息隊列的訪問權限和其他選項

  • IPC_CREAT： 如果指定的key不存在，則創建一個新的消息隊列，如果已經存在，則直接獲得原先的消息隊列

  • IPC_EXCL： 如果指定的key已經存在，則創建失敗

IPC_EXCL只能配合IPC_CREAT一起使用，不能單獨使用IPC_EXCL。

消息隊列也可以設置讀寫權限，直接將權限值的八進制按位或到第二個參數中即可。

你會發現，其實消息隊列和共享內存的使用方法幾乎是一摸一樣的！

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msgctl

msgctl 用于控制共享內存的各種屬性，需要頭文件<sys/types.h>、<sys/ipc.h>和<sys/msg.h>，函數原型如下：

int msgctl(int msgid, int cmd, struct msgid_ds* buf);

返回值：

• 成功時返回 0
• 失敗時返回 -1，并設置 errno 變量

參數如下：

• shmid：要操作的消息隊列的標識符

• cmd：要執行的操作,可以是以下值之一：
  - IPC_STAT：獲取消息隊列的狀態信息
  - IPC_SET：設置消息隊列的某些屬性
  - IPC_RMID：刪除消息隊列

• buf：指向 msgid_ds 結構體的指針，用于存儲或設置消息隊列的屬性

msgid_ds源碼如下：

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 inqueue (nonstandard) */msgqnum_t       msg_qnum;     /* Current number of messagesin queue */msglen_t        msg_qbytes;   /* Maximum number of bytesallowed in queue */pid_t           msg_lspid;    /* PID of last msgsnd(2) */pid_t           msg_lrpid;    /* PID of last msgrcv(2) */
};

這一塊和共享內存也幾乎是一摸一樣的，不過多解釋了。

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剛剛兩個接口解決的是消息隊列的創建與釋放，接下來看看消息隊列如何向隊列中寫入與讀取。

msgsnd

msgsnd用于向消息隊列寫入，需要頭文件<sys/types.h>、<sys/ipc.h>和<sys/msg.h>，函數原型如下：

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

函數返回值:

• 成功時，返回 0
• 失敗時，返回 -1 并設置 errno 變量

參數：

1. msqid：要發送消息的消息隊列的標識符
2. msgp：指向要發送的消息內容的指針
3. msgsz：要發送的消息內容的長度，以字節為單位
4. msgflg：控制 msgsnd() 行為的標志位，一般來說傳入0即可。常用的有：
   • IPC_NOWAIT: 如果消息隊列已滿,立即返回而不是阻塞
   • MSG_NOERROR: 如果消息內容太長，截斷后仍然發送

此處要著重講解一下第二個參數msgp：

msgp 參數是一個指向要發送消息內容的指針。通常情況下，這個消息內容會被存儲在一個自定義的結構體中，這個結構體要滿足以下格式：

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

這個結構體有兩個成員變量:

1. mtype：這是一個 long 類型的消息類型標識符。發送消息時,接收方可以根據消息類型來選擇性地接收消息。

2. mtext：這是一個字符數組，用于存儲實際的消息內容，它的大小可以根據需要進行調整。

在使用 msgsnd() 函數發送消息時,msgp 參數就是指向這個 msg_buf 結構體的指針。

我們在發送消息時，只需要定義一個結構體，結構體的名稱可以是任意的，第一個成員必須是long類型，第二個成員必須是char的數組，數組長度任意。

第一個成員一般用于標識不同進程，比如在一個消息隊列中，A進程發送的消息，mtype設置為1，B進程發送的消息，mtype設置為2，這樣就可以根據這個成員來辨別一條消息是哪個進程發送的了。

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msgrcv

msgrcv用于從消息隊列提取，需要頭文件<sys/types.h>、<sys/ipc.h>和<sys/msg.h>，函數原型如下：

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

返回值：

• 成功時，返回實際接收的消息長度
• 失敗時，返回 -1 并設置 errno 變量

參數：

1. msqid：要從中接收消息的消息隊列的標識符
2. msgp：指向用于存儲接收消息內容的緩沖區的指針
3. msgsz：緩沖區 msgp 的大小，以字節為單位
4. msgtyp：指定要接收的消息類型。可以是以下幾種情況:
   • 如果 msgtyp > 0，則接收第一個 mtype 等于 msgtyp 的消息。
   • 如果 msgtyp == 0，則接收消息隊列中第一個消息，不管 mtype 是什么。
5. msgflg: 控制 msgrcv() 行為的標志位，一般設為0即可。常用的有：
   • IPC_NOWAIT：如果消息隊列為空,立即返回而不是阻塞
   • MSG_NOERROR：如果接收的消息內容太長，將其截斷后仍然返回

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再簡單講解兩個消息隊列相關的系統指令：

ipcs -q用于查看消息隊列：

ipcrm -q xxx：用于刪除msgid為xxx的消息隊列

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接下來講解system V的最后一種通信方式信號量 sem。

信號量 sem

信號量的基本原理，在于把一份資源拆分為很多份小資源：

多個進程可以分別訪問這個資源的一小部分：

但是不允許多個進程同時訪問一個小份資源！

而信號量的作用就是預定資源，信號量本質是一個計數器，用于記錄當前還有多少可以分配的資源。

信號量的申請過程如下：

1. 進程訪問資源前，要先申請一個信號量，用于預定資源，一旦預定成功，信號量的數目減少一個，即當前剩余的資源少一個。從預定成功開始，這一份資源就不能被其他進程再訪問了。
2. 進程申請到信號量后，就可以正常訪問這一份資源了
3. 當進程使用完，于是釋放信號量，此時信號量數目加一，即當前剩余資源增加一個。

關于信號量，本博客不講解接口如何使用了，其使用方式比較麻煩，需要很大篇幅，而且信號量也不常用。

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System V 管理機制

同為system V系列，共享內存 shm、消息隊列 msg和信號量 sem是有共性的，操作系統對這三者進行統一的管理。

Linux中，描述三者的結構體如下：

其中共享內存 shm被結構體shmid_kernel管理，消息隊列 msg被結構體msg_quque管理，信號量 sem被結構體sem_array管理。不過以上結構體中，成員并不是完全的，我只截取了一小部分。

Linux是如下對system V進行管理的：

ipc_ids結構體的entires成員指向了結構體ipc_id_ary，ipc_id_ary的第二個成員是一個柔性數組，該數組是一個指針數組，指向了不同的system V結構體。此時Linux對system V的管理就變成了對數組的增刪查改。

那么現在有一個問題就是：為什么一個數組可以指向三種不同類型的結構體變量？

我們再回到三個描述system V的結構體：

它們三個結構體的第一個成員分別是shm_perm、q_perm和sem_perm，這三者其實都是同一個結構體類型struct kern_ipc_perm，而Linux就是通過這個struct kern_ipc_perm來同時管理三種結構體的。

ipc_id_ary中，第二個成員數組的類型是struct kern_ipc_perm*，也就是指向struct kern_ipc_perm指針，這個struct kern_ipc_perm存儲了三種system V都具有的屬性。struct kern_ipc_perm結構體同時也都是三個system V的結構體的第一個成員，因此在訪問具體的某個結構體時，只需要進行一次指針的強制類型轉換即可。

Linux就是通過這樣一種方式，把所有的system V都統一地管理了起來。

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