Linux进程间通信【消息队列、信号量】

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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

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️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

因为消息队列比陈旧且较少使用了，所以这里就不详细讲解原理，关于消息队列更详细的介绍可以看看这两篇文章：

• 《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 
#include 
#include 

int msgget(key_t key, int msgflg);

关于 msgget 函数

组成部分	含义
返回值 int	创建成功返回消息队列的 msqid，失败返回 -1
参数1 key_t key	创建共享内存时的唯一 key 值，通过函数计算获取
参数2 int msgflg	位图，可以设置消息队列的创建方式及创建权限

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 
#include 
#include 
#include 

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 
#include 
#include 

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

关于 msgctl 函数

组成部分	含义
返回值 int	成功返回 0，失败返回 -1
参数1 int msqid	待控制的消息队列 id
参数2 int cmd	控制消息队列的具体动作，同样是位图
参数3 struct msqid_ds *buf	用于获取或设置所控制消息队列的数据结构

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 
#include 
#include 

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

关于 msgsnd 函数

组成部分	含义
返回值 int	成功返回 0，失败返回 -1
参数1 int msqid	待发送数据块的消息队列 id
参数2 const void *msgp	待发送的数据块
参数3 size_t msgsz	待发送数据块大小
参数4 int msgflg	表示发送数据块的方式，一般默认为 0

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

关于 柔性数组 的详细介绍可以看看这篇文章 《C语言进阶——动态内存管理》

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 
#include 
#include 

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

关于 msgrcv 函数

组成部分	含义
返回值 int	成功返回实际从 mtext 数组中读取的字节数，失败返回 -1
参数1 int msqid	待接收数据块的消息队列 id
参数2 void *msgp	接收到的数据块，是一个输出型参数
参数3 size_t msgsz	要接收数据块的大小
参数4 long msgtyp	要接收数据块的类型
参数5 int msgflg	表示接收数据块的方式，一般默认为 0

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、消息队列小结

消息队列 的大部分接口都与 共享内存 近似，所以掌握 共享内存 后，即可快速上手 消息队列

但是如你所见，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、信号量的感性理解

将整个程序看作现实世界，形色各异的人看作 执行流，电影院 等公共资源看作 临界区，而单场电影的电影票看作 临界资源，主角 信号量 就是电影院中单场电影余票的 计数器，即余票越多，计数器值越大，当有人买票时，计数器 -1，当有人看完电影时，计数器 +1

当电影票卖完时，计数器归零，其他想看电影的人也无法购票观看本场电影

下面这些情况应运而生：

1. 当你购票成功后，计数器 -1，你必然可以去看这场电影，其他人也无法与你争夺，因为那个位置当电影放映之时就是属于你一个人的
2. 如果你买票晚了，票已告罄，计数器为 0，你就无法购票观看这场电影，即使自己偷偷溜进去也不行，会被保安叉出去，这是规定
3. 得益于计数器的控制，电影院在放映电影时，有效划分了电影票这个 临界资源 的所属权限，从而保证了在电影放映时，绝对不会发生位置冲突、位置爆满、非法闯入等各种情况

信号量 的设计初衷也是如此，就是为了避免 因多执行流对临界资源的并发访问，而导致程序运行出现问题

因为电影院一次能容纳几十个人，所以可能不太好理解 互斥 这个概念，将场景特殊化，现在有一个 顶级VIP放映室，每天饮料零食随便吃，但 一次只允许一个人看电影，与普通电影院一样，这个 顶级VIP放映室 也有自己的售票系统，其本质同样是 计数器，但此时 计数器初始值为 1

所以：当一群人都想进这个顶级VIP放映室看电影时，必须等到 计数器 为 1 时，才能进行抢票，才有资格进去看电影，当然一次只能放一个人进去，同时计数器是否恢复 1，取决于上一个看电影的人是否出了放映室 -> 看电影结束 -> 计数器 +1

规定：只允许一个人看电影

透过现象看本质，在 顶级VIP看电影 不就是代码中 **多个执行流对同一个临界资源的互斥访问吗？**此时的 信号量 可以设为 1，确保 只允许一个执行流进行访问，这种 信号量 被称为 二元信号量，常用来实现 互斥

综上所述，信号量本质上就是 计数器 count，所谓的 P 操作（申请）就是在对 count--，V 操作（归还）则是在对 count++

2.4、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

注：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

2.5、信号量的相关接口

2.5.1、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 
#include 
#include 

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

关于 semget 函数

组成部分	含义
返回值 int	创建成功返回信号量集的 semid，失败返回 -1
参数1 key_t key	创建信号量集时的唯一 key 值，通过函数 ftok 计算获取
参数2 int nsems	待创建的信号量个数，这也正是 集 的来源
参数3 int semflg	位图，可以设置消息队列的创建方式及创建权限

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 
#include 
#include 
#include 

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

注意：

• 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

2.5.2、释放

老生常谈的两种释放方式：指令释放、函数释放

指令释放：直接通过指令 ipcrm -s semid 释放信号量集

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 
#include 
#include 

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

关于 semctl 函数

组成部分	含义
返回值 int	成功返回 0，失败返回 -1
参数1 int semid	待控制的信号量集 id
参数2 int semnum	表示对信号量集中的第 semnum 个信号量作操作
参数3 int cmd	控制信号量的具体动作，同样是位图
参数4 ...	可变参数列表，不止可以获取信号量的数据结构，还可以获取其他信息

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

2.5.3、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 
 #include 
 #include 

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

关于 semop 函数

组成部分	含义
返回值 int	成功返回 0，失败返回 -1
参数1 int semid	待操作的信号量集 id
参数2 struct sembuf *sops	一个比较特殊的参数，需要自己设计结构体
参数3 unsigned nsops	可以简单理解为信号量编号

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）

sem_flg 是设置动作，一般设为默认即可

当然这些函数我们不必深入去研究，知道个大概就行了

2.6、信号量小结

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

将内核中的所有 ipc 资源统一以数组的方式进行管理

• 假设想访问具体 ipc 中的资源，可以通过 ipc_id_arr[n] 强转为对应类型指针，再通过 -> 访问其中的其他资源

以上方法就是 多态，通过父类指针，访问成员

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总结

以上就是本次关于 Linux 进程间通信【消息队列、信号量】的全部内容了，消息队列和信号量相对来说不怎么重要，因此本文主要以理论为主，并未涉及很多实操代码；本文中最重要的内容莫过于理解 互斥 相关概念与 信号量 实现互斥的原理，最后关于操作系统对 System V 通信相关资源的封装也算得上是精彩绝伦

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