Linux：详解进程间通信——共享内存和消息队列相关接口及其代码验证（图文并茂）（二）

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1. 共享内存

1.1 原理

• 首先在物理内存中创建了一块内存空间。
• 不同的进程通过页表映射，将同一块物理内存映射到自己的虚拟地址。
• 不同的进程，操作进程虚拟地址，通过页表映射，就相当于操作同一块内存，从而完成了数据交换。

原理如图所示：

1.2 接口

共享内存的接口均在#include头文件中

1.2.1 创建共享内存

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

参数：

• key：共享内存的标识符，用来标识一块共享内存，在操作系统中，共享内存的标识是不能重置的。可以直接给一个32位的16进制的数字。
• size：共享内存的大小
• shmflg：
  ① IPC_CREAT：如果key标识的共享内存不存在，则创建。
  ② IPC_EXEC | IPC_CREAT：如果key标识的共享内存存在，则保存。该参数通常是要搭配IPC_CREAT一起使用。
  ③ 权限：需要按位或上一个8进制的数字

返回值：

• -1：失败
• ＞0：成功，返回的是共享内存的操作句柄。(相当于open函数返回的对应的文件描述符一样)

查看共享内存的命令：ipcs m

1.2.2 附加共享内存到进程

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

参数：

• shmid：共享内存的操作句柄，shmget的返回值
• shmaddr：将共享内存附加到shmaddr，一般情况下，都不会自己去指定映射到共享区当中的那一块虚拟地址，而是传递NULL值，让操作系统去选择
• shmflg：标志着将共享内存附加到进程之后，进程对共享内存的读写属性

• 0：读写失败
• SHM_RDONLY：只读

返回值：

• 附加成功：返回值为附加到共享内存的中的虚拟地址,类型为 void*
• 附加失败：返回值为NULL

1.2.3 分离共享内存

int shmdt(const void* shmaddr)

参数：

• shmaddr：调用shmat函数获取到的共享内存的虚拟地址

1.2.4 共享内存操作函数

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

该函数可以类比获取 / 设置文件描述符属性的fcntl函数。

参数：

• shmid：共享内存的操作句柄

• cmd：
  ①IPC_STAT：获取共享内存参数
  ②IPC_SET：设置共享内存的属性
  ③IPC_RMID：删除共享内存

• struct shmid_ds：是共享内存的属性对应的结构体。具体定义如下：

该结构体可以类比Linux基础IO中的struct file结构体。

参数cmd的使用：

① IPC_STAT：获取共享内存参数

struct shmid_ds tmp;
shmctl(shmid,IPC_STAT,&tmp);

②IPC_SET：设置共享内存的属性

struct shmid_ds tmp;
tmp.segsz = 1024;
shmctl(shmid,IPC_SET,&tmp);

③IPC_RMID：删除共享内存

shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);

1.2.5 共享内存接口的代码验证

我们可以创建两个文件testA.c和testB.c，利用shmget函数创建出共享内存，然后testA.c在共享内存中写入"It’s test to share memory，I am testA "，然后在testB.c中对共享内存中的数据进行读，并将其输出在屏幕上，规定共享内存的标识符为0x86868686。

代码如下：
testA.c

#include 
#include 
#include 

#define key 0x86868686

int main()
{
    puts("start to testA to write shm");
    int shmid = shmget(key,1024,IPC_CREAT | 0664);

    void* addr = shmat(shmid,NULL,0);

    sprintf((char*)addr,"It's test to share memory，I am testA");
    puts("end to testA to write shm");
    return 0;
}

碎片知识：在往共享内存中写数据的时候，可以用strncpy、sprintf、memcpy

testB.c

#include 
#include 
#include 

#define key 0x86868686

int main()
{
    puts("start to testB to read shm");
    int shmid = shmget(key,1024,IPC_CREAT | 0664);

    void* addr = shmat(shmid,NULL,0);

    printf("%s\n",(char*)addr);
    puts("end to testB to read shm");
    return 0;
}

运行结果：

使用ipcs -m查看刚才的共享内存

可以看到，共享内存创建成功了，并且随着程序的结束，共享内存并没有释放。

删除共享内存：

方法一：在文件中使用shmctl函数删除。

在testB.c文件中加上shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);语句，结果如下：

方法二：在命令行中使用ipcrm -m [shmid]命令进行删除

1.3 特性

• 共享内存的生命周期跟随操作系统的内核
• 共享内存的读取，采用的是拷贝读，而不是拿走读（这是和管道的一个本质区别）
• 共享内存的写是覆盖写

那么问题来了，如果删除一个被进程附加的共享内存，会发生什么情况？

操作：让testA程序不结束，一直运行，然后删除其对应的共享内存

现象：

当前共享内存的shmid会变成0x00000000，并且共享内存的status会变为dest(destory)

并且当，testA程序结束后，该共享内存就会被释放。

本质：

我们能通过ipcs -m查看当前被删除共享内存的信息，说明在操作系统内核，描述该内存的结构体没有被释放，但是共享内存所使用的空间已经被释放掉了，所以，附加的进程如果再次操作共享内存就会面临崩溃的风险。

2. 消息队列

2.1 相关概念

① 消息队列首先是一个队列，具有先进先出的性质。

② 消息队列的本质上也是内核当中维护的一个双向链表，但是满足了先进先出的特性，所以被称为队列。

③ 消息队列当中的消息，带有类型的数据，类型和类型之间是有优先级的。

④消息队列可以获取同种类的，距离队首最近的元素。

2.2 接口

消息队列的接口均在#include头文件中

2.2.1 创建消息队列

int megget(key_t key，int msgflg)

参数：

• key：消息队列的标识符
• msgflg：IPC_CREAT，……，同shmget中的属性

返回值：

返回消息队列的操作句柄

2.2.2 将消息写入到消息队列

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

参数：

• msqid：消息队列的操作句柄
• msgp：要发送到消息队列的信息（和shmctl 函数的struct shmid_ds一样）该信息是一个消息队列的结构体

① long mtype：一定要大于0，它表示的是消息的类型
② char mtext[1]：发送的数据只是一个类型，程序员在发送数据的时候，传递的结构体中一定要有一个变量为long的类型，表示消息的优先级，至于小的数据，程序员可以自己指定。

• msgsz：指定发送的数据大小，只计算自己发送的数据大小，不算long类型
• msgflg：
  ① IPC_NOWAIT：非阻塞的发送方式
  ② 0 ：阻塞发送

返回值：

成功发送0，失败返回-1.

碎片知识：long类型在Linux中32位OS下是4Byte，64位OS下是8Byte，64位Windows OS下是4Byte。

2.2.3 从消息队列读取消息

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

参数：

• msqid：消息队列的操作句柄

• msgp：最大接收能力（即最大能接收多大）

• msgsz：
  ① >0：表示获取队列中距离队首最近的同类型的元素
  ② ==0：直接获取队首的元素
  ③ <0：详见下方解释

• msgflg：同上msgsnd函数的属性

详解msgsz参数的 < 0 属性：

① 需要将 < 0 的msgtype的值取绝对值
② 从队首一直到 |msgtype|区间的消息全部过滤出来
③ 从区间中获取和绝对值msgtype一样的消息，若是没有获取到，则进行步骤④
④ 在区间中取类型最小的消息

举个例子：

例子1：若传入的msgsz是 - 5，且消息队列中的消息是[1,2,3,4,5,6,7,8,9]。

由于msgsz < 0，则过滤消息队列中 -5 到 5 这个区间的消息，即[1,2,3,4,5]，然后获取和绝对值一样的消息 5。

例子2：若传入的msgsz是 - 5，且消息队列中的消息是[1,2,3,4,6,7,8,9]。

由于msgsz < 0，则过滤消息队列中 -5 到 5 这个区间的消息，即[1,2,3,4,6]，但是不存在和绝对值相同的消息，那么就获取该消息队列中的最小值 1

碎片知识：System V标准是不支持跨平台的，而Posix标准是支持跨平台的