文章目錄

一、共享內存
- 1.1 一些接口
- - 1. shmget 函數：申請一個 system v 的共享內存塊
  - 2. ftok 函數：設置唯一標識碼
  - 3. shmctl 函數：控制 system v 的共享內存塊（可以刪除、查看...）
  - 4. shmat 函數：將進程與共享內存塊關聯\ 掛接（attach）
  - 5. shmdt 函數：將進程與共享內存塊去關聯（detach）
- 1.2 一些命令
- - 1. ipcs - - 查看三種 ipc 資源
  - 2. ipcrm -- 刪除某種 ipc 資源
- 1.3 結論
二、消息隊列
- - 1. msgget 函數：創建消息隊列
  - 2. msgctl 函數
  - 3. msgsnd 和 msgrcv 函數，發送和接收消息
三、信號量
- - 1. semget
  - 2. semctl 函數：可以獲取信號量的相關屬性
  - 3. semop 函數：對信號量進行操作
總結：

一、共享內存

我們知道，進程間通信的本質就是：讓不同的進程，看到同一份資源

這里要介紹的同一份資源就是：內存塊，即 共享內存（shared memory，簡寫為 shm）

共享內存的原理：

1.創建（key 和共享內存）

2.關聯進程和取消關聯

3.釋放共享內存

內存中的每塊共享內存，會有一個 struct shm 結構體，里面放著共享內存的全部屬性，OS 通過這個結構體建立鏈表關系來對所有的共享內存進行管理，就等于把管理 shm 的問題轉化成了管理鏈表的問題。

故：

共享內存
=
共享內存的內核數據結構 （偽代碼：struct shm）
+
真正開辟的內存空間

1.1 一些接口

1. shmget 函數：申請一個 system v 的共享內存塊

頭文件：

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>// umask的頭文件如下
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
?
參數 key：

使用 ftok 函數設置的唯一標識碼，他雖由用戶設置，卻是在內核中使用的

?
參數 size

需要申請共享內存塊的大小，單位為字節，不足 PAGE 頁（4KB）時，會向上對齊到 PAGE 頁

?
參數 shmflg：

選項 IPC_CREAT and IPC_EXCL

單獨使用 IPC_CREAT：創建一個共享內存，如果共享內存不存在，就創建，如果已經存在就獲取已經存在的共享內存并返回。

IPC_CREAT | IPC_EXCL ：IPC_EXCL 必須要配合 IPC_CREAT 使用，創建一個共享內存，如果共享內存不存在，就創建，如果已經存在就出錯返回
意味著，一起使用時，如果創建成功，對應的shm，一定是最新的！

IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666 ：上面的基礎上，添加權限（可以配合函數 umask(0) 使用）

?
返回值：

成功會返回一個共享內存標識符，失敗返回 -1

2. ftok 函數：設置唯一標識碼

頭文件

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

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

用戶設置的路徑

?
參數 proj_id

用戶設置的項目 id

?
返回值：

根據用戶傳入的參數，結合一定的算法，返回一個沖突概率很低的值。ket_t 就是一個 32 位的整數，是對 int 的封裝

3. shmctl 函數：控制 system v 的共享內存塊（可以刪除、查看…）

頭文件

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

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

需要的共享內存塊的 shmid

?
參數 cmd：

選項 IPC_STAT：把用戶傳入 shmid 的相應內核數據結構信息復制到 buf 中（在調用者有讀權限的情況下，才能成功）
選項 IPC_RMID：刪除 shmid 為傳入值的共享內存塊

?
輸出型參數 buf：

需要得到 ipc 信息時傳一個相應類型的值用來接收結果

?
返回值：

失敗返回 -1，成功則根據 cmd 傳入的選項返回對應的值

//The buf argument is a pointer to a shmid_ds structure, defined in <sys/shm.h> as follows: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 */...};//The ipc_perm structure is defined as follows (the highlighted fields  are  settable  using IPC_SET):struct ipc_perm {key_t          __key;    /* Key supplied to shmget(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 + SHM_DEST andSHM_LOCKED flags */unsigned short __seq;    /* Sequence number */};

4. shmat 函數：將進程與共享內存塊關聯\ 掛接（attach）

頭文件

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>

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

需要的共享內存塊的 shmid

?
參數 shmaddr：

用戶可以選擇虛擬地址作為共享內存塊的起始地址
用戶一般不定義，設為 nullptr 讓 OS 自主定義即可

?
參數 shmflg：

選項 SHM_RDONLY：只讀
0：可以讀寫

?
返回值：

掛接成功，返回共享內存塊的虛擬地址的起始地址

5. shmdt 函數：將進程與共享內存塊去關聯（detach）

頭文件

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>

int shmdt(const void *shmaddr);
?
參數 shmaddr：

共享內存塊的起始地址

?
返回值：

去關聯成功返回 0，失敗返回 -1

1.2 一些命令

1. ipcs - - 查看三種 ipc 資源

ipcs 就是進程間通信（ipc）資源

ipcs：可以查看 消息隊列、共享內存虧塊、信號量
-m：查看共享內存塊（memory）
-s：查看信號量（semaphore）

perms：權限
nattach：當前 ipc 掛接的進程數

2. ipcrm – 刪除某種 ipc 資源

ipcrm：刪除一個 消息隊列、共享內存虧塊、信號量
-m：刪除一個共享內存塊，后接 shmid

1.3 結論

兩個進程管道通信一次，需要進行兩次復制。而共享內存間的通信，可以讓進程們直接在自己映射的地址空間中訪問，減少了拷貝次數（）
管道單方面關閉讀寫端會有相應的保護，而共享內存沒有保護機制（同步互斥）。管道通過系統接口通信，共享內存直接通信
互斥：任何一個時刻，都只允許一個執行流在進行共享資源的訪問，叫做加鎖
我們把任何一個時刻，都只允許一個執行流在進行訪問的共享資源，叫做 臨界資源。凡是訪問臨界資源的代碼，叫做臨界區，控制進出臨界區的手段造就了臨界資源。

二、消息隊列

1. msgget 函數：創建消息隊列

頭文件

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

int msgget(key_t key, int msgflg)
?

參數 key：

使用 ftok 函數設置的唯一標識碼

?
參數 msgflg：

選項 IPC_CREAT and IPC_EXCL

單獨使用 IPC_CREAT：創建一個共享內存，如果共享內存不存在，就創建，如果已經存在就獲取已經存在的共享內存并返回。

IPC_CREAT | IPC_EXCL ：IPC_EXCL 必須要配合 IPC_CREAT 使用，創建一個共享內存，如果共享內存不存在，就創建，如果已經存在就出錯返回
意味著，一起使用時，如果創建成功，對應的shm，一定是最新的！

IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666 ：上面的基礎上，添加權限（可以配合函數 umask(0) 使用）

?
返回值：

成功則返回消息隊列的標識符

2. msgctl 函數

頭文件

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

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

需要的消息隊列的 msqid

?
參數 cmd：

選項 IPC_STAT：把用戶傳入 msqid 的相應內核數據結構信息復制到 buf 中（在調用者有讀權限的情況下，才能成功）
選項 IPC_RMID：刪除 msqid 為傳入值的共享內存塊

?
輸出型參數 buf：

需要得到 ipc 信息時傳一個相應類型的值用來接收結果

?
返回值：

成功返回 >= 0 的值，失敗返回 -1

The msqid_ds data structure is defined in <sys/msg.h> as follows: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) */};The ipc_perm structure is defined as follows (the highlighted fields  are  settable  using
IPC_SET):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 */};

3. msgsnd 和 msgrcv 函數，發送和接收消息

頭文件

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

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

參數 msqid：

發送和接收訪問的同一個消息隊列
?

參數 msgp：

發送或接收的數據塊
?

參數 msgsz：

發送或接收數據塊的大小
?

參數 msgflg：

選項，一般填 0 即可
?

參數 msgtyp：

msgbuf 里面的 mtype

// The msgp argument is a pointer to caller-defined structure of the following general form:struct msgbuf {long mtype;       /* message type, must be > 0 */char mtext[1];    /* message data */
};

三、信號量

信號量 / 信號燈（semaphore），本質就是一個計數器，是一個描述資源數量的計數器。

舉個例子：

比如我們任何一個執行流，像訪問臨界資源中的一個子資源的時候，不能直接訪問，需要 先申請信號量資源（P操作），此時 count-- 。只要申請信號量成功，未來就一定能拿到一個子資源。（類似搖號）
然后進入進程自己的臨界區，訪問對應的臨界資源。
使用完成后，進程釋放信號量資源（V操作），只要將計數器增加 count++，就表示將我們對應的資源進行了歸還。

至此，進程通過執行代碼來申請，意味著，所有進程都得先看到信號量，信號量就是一個共享資源。（信號量保護共享資源，自己卻又是一個共享資源）

故，信號量必須保證自己的 ++ - - 是原子的
也，信號量被歸類到了進程間通信

信號量部分未完待續~

1. semget

頭文件

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

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
?
參數 key：

使用 ftok 函數設置的唯一標識碼，他雖由用戶設置，卻是在內核中使用的

?
參數 nsems：

申請信號量的個數（叫做信號量集）

?
參數 semflg：

選項 IPC_CREAT and IPC_EXCL

單獨使用 IPC_CREAT：創建一個共享內存，如果共享內存不存在，就創建，如果已經存在就獲取已經存在的共享內存并返回。

IPC_CREAT | IPC_EXCL ：IPC_EXCL 必須要配合 IPC_CREAT 使用，創建一個共享內存，如果共享內存不存在，就創建，如果已經存在就出錯返回
意味著，一起使用時，如果創建成功，對應的shm，一定是最新的！

IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666 ：上面的基礎上，添加權限（可以配合函數 umask(0) 使用）

?
返回值：

成功會返回一個信號量計數器標識符，失敗返回 -1

2. semctl 函數：可以獲取信號量的相關屬性

頭文件

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

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
?
參數 semid：

需要的信號量的semid

?
參數 semnum：

信號量編號

?
參數 cmd：

選項 IPC_STAT：把用戶傳入 msqid 的相應內核數據結構信息復制到 buf 中（在調用者有讀權限的情況下，才能成功）
選項 IPC_RMID：刪除 msqid 為傳入值的共享內存塊

?
返回值：

成功返回 >= 0 的值，失敗返回 -1

//This  function  has  three  or four arguments, depending on cmd.  When there are four, the
//fourth has the type union semun.  The calling program must define this union as follows:union semun {int              val;    /* Value for SETVAL */struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO(Linux-specific) */};//The semid_ds data structure is defined in <sys/sem.h> as follows: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 */};//The ipc_perm structure is defined as follows (the highlighted fields  are  settable  usingIPC_SET):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 */};

3. semop 函數：對信號量進行操作

頭文件

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

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

需要用戶自己定義后傳入，設置結構體內容，以此達到對信號量的 PV 操作等等

//Each semaphore in a System V semaphore set has the following associated values:unsigned short  semval;   /* semaphore value */unsigned short  semzcnt;  /* # waiting for zero */unsigned short  semncnt;  /* # waiting for increase */pid_t           sempid;   /* ID of process that did last op *///semop() performs operations on selected semaphores in the set indicated by semid.  
//Each of the nsops elements in the array pointed to by sops specifies an operation to be  performed on a single semaphore.  
//The elements of this structure are of type struct sembuf, containing the following members:unsigned short sem_num;  /* semaphore number */short          sem_op;   /* semaphore operation */short          sem_flg;  /* operation flags */

總結：

共享內存、消息隊列、信號量這三種 ipc 都有各自的內核數據結構體，而結構體的第一個成員都是 struct ipc_perm xx_perm。

可以理解為 OS 將這三種 ipc 都放進了一個 struct ipc_perm* ipc_id_arr[] 指針數組中進行管理（這里只是做理解解釋，實際上更復雜）。

OS 通過指針，可以找到每個結構體（同時也是每個結構的第一個成員，即 struct ipc_perm xx_perm），在其中找到 key 值就可以確定。

要訪問里面的內容時，以共享內存舉例

((struct shmid_ds*)ipc_id_arr[n])->other...

對指針進行強轉，就可以訪問到其中內容了，這也是一種多態。

【Linux】進程通信篇Ⅱ：共享內存、消息隊列、信號量

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一、共享內存

1.1 一些接口

1. shmget 函數：申請一個 system v 的共享內存塊

2. ftok 函數：設置唯一標識碼

3. shmctl 函數：控制 system v 的共享內存塊（可以刪除、查看…）

4. shmat 函數：將進程與共享內存塊 關聯\ 掛接（attach）

5. shmdt 函數：將進程與共享內存塊 去關聯（detach）

1.2 一些命令

1. ipcs - - 查看三種 ipc 資源

2. ipcrm – 刪除某種 ipc 資源

1.3 結論

二、消息隊列

1. msgget 函數：創建消息隊列

2. msgctl 函數

3. msgsnd 和 msgrcv 函數，發送和接收消息

三、信號量

1. semget

2. semctl 函數：可以獲取信號量的相關屬性

3. semop 函數：對信號量進行操作

總結：

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