Linux信號【systemV】

前言

正文：

1消息隊列

1.1什么是消息隊列？?

1.2消息隊列的數據結構?

1.3消息隊列的相關接口?

1.3.1創建?

1.3.2釋放?

1.3.3發送?

1.3.4接收?

1.4消息隊列補充

2.信號量?

2.1什么是信號量?

2.2互斥相關概念?

2.3信號量的數據結構

2.4信號量相關接口?

2.4.1創建?

2.4.2釋放

2.4.3操作

2.5信號量補充

3.深入理解 System V通信方式?

總結：

前言

在 System V 通信標準中，還有一種通信方式：消息隊列，以及一種實現互斥的工具：信號量；隨著時代的發展，這些陳舊的標準都已經較少使用了，但作為 IPC 中的經典知識，我們可以對其做一個簡單了解，擴展 IPC 的知識棧，尤其是信號量，可以通過它，為以后多線程學習中 POSIX 信號量的學習做鋪墊

正文：

1消息隊列

1.1什么是消息隊列？?

?消息隊列（Message Queuing）是一種比較特殊的通信方式，它不同于管道與共享內存那樣借助一塊空間進行數據讀寫，而是?在系統中創建了一個隊列，這個隊列的節點就是數據塊，包含類型和信息

假設現在進程 A、B 想要通過消息隊列進行通信，首先創建一個消息隊列
然后進程 A 將自己想要發送給進程 B 的信息打包成數據塊（其中包括發送方的信息），將數據塊添加至消息隊列隊尾處
進程 B 同樣也可以向消息隊列中添加數據塊，同時也會從消息隊列中捕獲其他進程的數據塊，解析后進行讀取，這樣就完成了通信

遍歷消息隊列時，存數據塊?還是?取數據塊?取決于?數據塊中的類型?type

注意：?消息隊列跟共享內存一樣，是由操作系統創建的，其生命周期不隨進程，因此在使用結束后需要刪除

下面有關于消息隊列詳解的文章

?

《什么是消息隊列》
《消息隊列詳解》

1.2消息隊列的數據結構?

同屬于?System V?標準，消息隊列也有屬于自己的數據結構

注：msg?表示?消息隊列

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?共享內存?一樣，其中?struct ipc_perm?中存儲了?消息隊列的基本信息，具體包含內容如下：

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 */
};

可以通過?man msgctl?查看函數使用手冊，其中就包含了?消息隊列?的數據結構信息

1.3消息隊列的相關接口?

?論標準的重要性，消息隊列的大小接口風格與共享內存一致，都是出自?System V?標準

1.3.1創建?

?使用?msgget?函數創建?消息隊列

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>int msgget(key_t key, int msgflg);

關于?msgget?函數

與?共享內存?的?shmget?可以說是十分相似了，關于?ftok?函數計算?key?值，這里就不再闡述，可以在這篇文章中學習《Linux進程間通信【共享內存】》

簡單使用函數?msgget?創建?消息隊列，并使用?ipcs -q?指令查看資源情況

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>using namespace std;int main()
{//創建消息隊列int n = msgget(ftok("./", 668), IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);if(n == -1){cerr << "msgget fail!" << endl;exit(1);}return 0;
}

程序運行后，創建出了一個?msqid?為?0?的消息隊列

因為此時并?沒有使用消息隊列進行通信，所以已使用字節?used-bytes?和消息數?messages?都是?0

注意：

消息隊列在創建時，也需要指定創建方式：IPC_CREAT、IPC_EXCL、權限?等信息
消息隊列創建后，msqid也是隨機生成的，大概率每次都不一樣
消息隊列生命周期也是隨操作系統的，并不會因進程的結束而釋放

1.3.2釋放?

消息隊列也有兩種釋放方式：通過指令釋放、通過函數釋放

釋放指令：ipcrm -q msqid?釋放消息隊列，其他?System V?通信資源也可以這樣釋放

ipcrm -m shmid?釋放共享內存
ipcrm -s semid?釋放信號量集

釋放函數：msgctl(msqid, IPC_RMID, NULL)?釋放指定的消息隊列，跟?shmctl?刪除共享內存一樣

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

?關于?msgctl?函數

?簡單回顧下參數2部分可傳遞參數：

IPC_RMID?表示刪除共享內存
IPC_STAT?用于獲取或設置所控制共享內存的數據結構
IPC_SET?在進程有足夠權限的前提下，將共享內存的當前關聯值設置為?buf?數據結構中的值

同樣的，消息隊列 = 消息隊列的內核數據結構（struct msqid_ds） + 真正開辟的空間

1.3.3發送?

?利用消息隊列發送信息，即?將信息打包成數據塊，入隊尾，所使用函數為?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);

?關于?msgsnd?函數

?參數2 表示待發送的數據塊，這顯然是一個結構體類型，需要自己定義，結構如下：

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

mtype?就是傳說中數據塊類型，據發送方而設定；mtex?是一個比較特殊的東西：柔性數組，其中存儲待發送的?信息，因為是?柔性數組，所以可以根據?信息?的大小靈活調整數組的大小

1.3.4接收?

?消息發送后，總得接收吧，既然發送是往隊尾中添加數據塊，那么接收就是?從隊頭中取數據塊，假設所取數據塊為自己發送的，那么就不進行操作，其他情況則取出數據塊，使用?msgrcv?函數接收信息

#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);

關于?msgrcv?函數

同樣的，接收的數據結構如下所示，也包含了?類型?和?柔性數組

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

1.4消息隊列補充

?System V?版的消息隊列使用起來比較麻煩，并且過于陳舊，現在已經較少使用了，所以我們不必對其進行深究，知道個大概就行了，如果實際中真遇到了，再查文檔也不遲

2.信號量?

2.1什么是信號量?

?信號量（semaphore）一種特殊的工具，主要用于實現?同步和互斥

信號量?又稱?信號燈，是各大高校《操作系統》課程中老師提及的高頻知識點，往往伴隨著?P、V?操作出現，但大多數老師都只是提及了基本概念，并未對?信號量?的本質及使用場景作出詳細講解

在正式學習?信號量?相關知識前，需要先簡單了解下?互斥相關四個概念，為后續?多線程中信號量的學習作鋪墊（重點）

2.2互斥相關概念?

1、并發?是指系統中同時存在多個獨立的活動單元

比如在多線程中，多個執行流可以同時執行代碼，可能訪問同一份共享資源

2、互斥?是指同一時刻只允許一個活動單元使用共享資源

即在任何一個時刻，都只允許一個執行流進行共享資源的訪問（可以通過加鎖實現）

3、臨界資源?與?臨界區，多執行流環境中的共享資源就是?臨界資源，涉及?臨界資源?操作的代碼區間即?臨界區

在多線程環境中，全局變量就是?臨界資源，對全局變量的修改、訪問代碼屬于?臨界區

4、原子性：只允許存在成功和失敗兩種狀態

比如對變量的修改，要么修改成功，要么修改失敗，不會存在修改一半被切走的狀態

?所以?互斥?是為了解決?臨界資源在多執行流環境中的并發訪問問題，需要借助?互斥鎖或信號量?等工具實現?原子操作，實現?互斥

關于互斥鎖（mutex）的相關知識在?多線程?中介紹，現在先來學習?信號量，搞清楚它是如何實現?互斥?的

2.3信號量的數據結構

?下面來看看?信號量?的數據結構，通過?man semctl?進行查看

?sem?表示?信號量

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?家族基本規矩，struct ipc_perm?中存儲了?信號量的基本信息，具體包含內容如下：

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 */
};

?顯然，無論是共享內存、消息隊列、信號量，它們的 ipc_perm 結構體中的內容都是一模一樣的，結構上的統一可以帶來管理上的便利，具體原因可以接著往下看

2.4信號量相關接口?

2.4.1創建?

?信號量的申請比較特殊，一次可以申請多個信息量，官方稱此為?信號量集，所使用函數為?semget

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

關于?semget?函數

除了參數2，其他基本與另外倆兄弟一模一樣，實際傳遞時，一般傳?1，表示只創建一個?信號量

使用函數創建?信號量集，并通過指令?ipcs -s?查看創建的?信號量集?信息

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>using namespace std;int main()
{//創建一個信號量int n = semget(ftok("./", 668), 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);if(n == -1){cerr << "semget fail!" << endl;exit(1);}return 0;
}

程序運行后，創建了一個?信號量集，nsems?為?1，表示在當前?信號量集?中只有一個?信號量

信號量集在創建時，也需要指定創建方式：IPC_CREAT、IPC_EXCL、權限?等信息
信號量集創建后，semid也是隨機生成的，大概率每次都不一樣
信號量集生命周期也是隨操作系統的，并不會因進程的結束而釋放

2.4.2釋放

老方法：指令釋放：直接通過指令?ipcrm -s semid?釋放信號量集（略）

通過函數釋放：semctl(semid, semnum, IPC_RMID)，信號量中的控制函數有一點不一樣

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

?關于?semctl?函數

注意：

參數2 表示信號量集中的某個信號量編號，從?1?開始編號
參數3 中可傳遞的動作與共享內存、消息隊列一致
參數4 就像?printf?和?scanf?中最后一個參數一樣，可以靈活使用

2.4.3操作

信號量的操縱比較ex，也比較麻煩，所以僅作了解即可

使用?semop?函數對?信號量?進行諸如?+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);

?關于?semop?函數

重點在于參數2，這是一個結構體，具體成員如下：

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

其中包含信號量編號、操作等信息，需要我們自己設計出一個結構體，然后傳給?semop?函數使用

可以簡單理解為：sem_op?就是要進行的操作，如果將?sem_op?設為?-1，表示信號量?-1（申請），同理?+1?表示信號量?+1（歸還）

2.5信號量補充

信號量是實現互斥的其中一種方法，具體表現為：資源申請，計數器 -1，資源歸還，計數器 +1，只有在計數器不為 0 的情況下，才能進行資源申請，可以設計二元信號量實現互斥

System V 中的信號量操作比較麻煩，但信號量的思想還是值得一學的，等后面學習多線程時，也會使用 POSIX 中的信號量實現互斥，相比之下，POSIX 版的信號量操作要簡單得多，同時應用也更為廣泛

因為信號量需要被多個獨立進程看到，所以信號量本身也是臨界資源，不過它是原子的，所以可以用于互斥

多個獨立進程看到同一份資源，這就是 IPC 的目標，所以信號量被劃分至進程間通信中

?

3.深入理解 System V通信方式?

?不難發現，共享內存、消息隊列、信號量的數據結構基本一致，并且都有同一個成員?struct ipc_perm，所以實際對于?操作系統?來說，對?System V?中各種方式的描述管理只需要這樣做

將共享內存、消息隊列、信號量對象描述后，統一存入數組中
再進行指定對象創建時，只需要根據 ipc_id_arr[n]->__key 進行比對，即可當前對象是否被創建！
因為 struct shmid_ds 與 struct ipc_perm shm_perm 的地址一致（其他對象也一樣），所以可以對當前位置的指針進行強轉：((struct shmid_ds)ipc_id_arr[0]) 即可訪問 shmid_ds 中的成員，這不就是多態中的虛表嗎？

這樣一來，操作系統可以只根據一個地址，靈活訪問兩個結構體中的內容，比如 struct ipc_perm shm_perm 和 struct shmid_ds，并且操作系統還把多種不同的對象，描述融合入了一個 ipc_id_arr 指針數組中，真正做到了高效管理

注：默認 ipc_id_arr[n] 訪問的是 struct ipc_perm 中的成員