Linux之进程间通信——system V（共享内存、消息队列、信号量等）

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前言

本文介绍了另一种进程间通信——system V，主要介绍了共享内存，消息队列、信号量，当然消息队列了信号量并非重点，简单了解即可。

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一、共享内存

1.共享内存的基本原理

共享内存：不同的进程为了进行通信看到的同一个内存块，该内存块被称为共享内存。
进程具有独立性，它的内核数据结构包括对应的代码，数据与页表都是独立的。
OS系统为了让进程间可以实现通信：1.在物理内存上申请一块内存空间 2.将申请好的内存分别与各个进程的页表之间建立映射，然后在各个进程的虚拟地址空间中将虚拟地址与页表建立映射，从而建立起物理地址与虚拟地址的联系。

如果不想继续通信，就取消进程与内存间的映射关系，释放内存。

1. 我们将创建好的内存称为共享内存；
2. 将进程与共享内存建立映射的操作称为挂接；
3. 把取消进程与内存的映射关系这一操作称为关联；
4. 把释放内存称为释放共享内存。

共享内存的建立：在物理内存当中申请共享内存空间；将申请到的共享内存嘎姐到地址空间（建立映射关系）。
共享内存的释放：共享内存与地址空间去关联（取消映射关系），释放共享内存空间（将物理内存归还系统）。
对于共享内存的理解：
对比C语言中的malloc可以在物理内存中申请空间，并将开辟好的空间通过页表映射到进程地址空间当中。system V进程间通信，是专门设计的，用于IPC；共享内存是一种通信方式，所有想进行通信的进程都可以使用（OS一定可能会同时存在很多的共享内存）

2.共享内存的创建

1. shmget：用来创建共享内存
   
2. 参数认识：

shmflg：通常有两个选项：IPC_CREAT、IPC_EXCL。

• IPC_CREAT：共享内存不存在，则创建，如果存在，则获取。
• IPC_EXCL：无法单独使用，只能配合IPC_CREAT使用。IPC_CREAT | IPC_EXCL：如果不存在就创建，如果存在就报错。

size：共享内存的大小
key：共享内存的唯一性标识，保证进程看到同一份共享内存。如何形成key？用ftok。
ftok：形成key

ftok是通过存在的路径名pathname以及设置的标识符proj_id来形成一个key值，通过shmget创建共享内存时，key值会被填充到维护共享内存的数据结构当中。

  key_t getkey()
  {
          key_t = ftok(PATHNAME, PROJ_JD);
          if(k < 0)
          {
                  cout<<"error:"<<errno<<":"<<strerror(errno)<<endl;
                  exit(1);
          }
          return k;
  }

为什么要存在key？
OS中一定存在很多的共享内存，而共享内存本质就是在内存中申请一块空间，这个key就是用来唯一标识共享内存的。
OS申请的共享内存，那么它一定会对共享内存进行管理（先描述，再组织），共享内存 = 物理内存块 + 共享内存的相关属性。
如果两个进程为了进行通信使用共享内存，那么一定要让两干进程看到同一个key的共享内存，那么key值存在哪里呢？key作为共享内存的唯一标识，应该存在共享内存的相关属性集合。描述共享内存的数据结构的字段struct shm中存着key。

共享内存数据结构的第一个成员是shm_perm，shm_perm是一个ipc_perm类型的结构体变量，每个共享内存的key值都存储在shm_perm中。

// ipc_perm结构体如下
struct ipc_perm{
	key_t __key;
	uid_t uid;
	gid_t gid;
	uid_t cuid;
	gid_t cgid;
	unsigned short mode;
	unsigned short __seq;
};

3.共享内存的控制

shmctl：控制共享内存

参数

shmid控制共享内存的标识符；
cmd控制种类；
buf控制共享内存的数据结构（一般设置为NULL）。

返回值

返回0表示成功，返回-1表示失败。

共享内存的内核数据结构

struct shmid_ds{
	struct ipc_perm shm_perm;
	size_t shm_segsz;
	time_t shm_atime;
	time_t shm_dtime;
	time_t shm_ctime;
	pid_t shm_cpod;
	pid_t shm_lpod;
	shmatt_t shm_nattch;
	//…

4.共享内存的关联

shmat：关联共享内存

参数

shmaddr：指定虚拟地址（一般设置为nullptr）；
shmflg：读取权限（一般设置为0）。

5.共享内存的去关联

shmdt：去关联

6.查看IPC资源

对于管道，进程退出，文件描述符会自动被释放（文件描述符的生命周期是随进程的），但是对于共享内存来说不是这样的，共享内存的生命周期是随OS的，而不是随进程，这是所有system V进程间的共性。

7.查看共享内存

ipcs -m

8.删除共享内存

ipcsrm -m (shmid)

二、实现进程间通信（代码）

文件comm.hpp

#ifndef __COMM_HPP_
#define __COMM_HPP_
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;
#define PATHNAME "."
#define PROJ_JD 0x66
#define MAX_SIZE 4096

key_t getkey()
{
    key_t k = ftok(PATHNAME,PROJ_JD);
    if(k <0)
    {
        cerr<<errno<<":"<<strerror(errno)<<endl;
        exit(1);
    }
    return k;
}

int getShmHelper(key_t k,int flags)
{
    //k是要shmget,设置进入共享内存属性中的，用来标识
    //该共享难内存在内核中的唯一性
    //shmid与key：
    //fd     inode
    int shmid = shmget(k,MAX_SIZE,flags);
    if(shmid<0)
    {
        cerr<<errno<<":"<<strerror(errno)<<endl;
        exit(2);
    }
    return shmid;
} 

//获取
int getShm(key_t k)
{
    return getShmHelper(k,IPC_CREAT);
}
//创建
int createShm(key_t k)
{
    return getShmHelper(k,IPC_CREAT | IPC_EXCL|0600);
}

void delShm(int shmid)
{
    if(shmctl(shmid,IPC_RMID,nullptr)==-1)
    {
        cerr<<errno<<":"<<strerror(errno)<<endl;
    }
}

void * attachShm(int shmid)
{
    void*mem = shmat(shmid,nullptr,0);
    if((long long)mem==-1L)//64位系统，8个字节，L表示数字类型
    {
        cerr<<errno<<"shmat:"<<strerror(errno)<<endl;
        exit(3);
    }
    return mem;
}

void detachShm(void * start)
{
    if(shmdt(start)==-1)
    {
        cerr<<"shmdt:"<<errno<<":"<<strerror(errno)<<endl;
    }
}

#endif 

文件server.cc

#include "comm.hpp"
#include 
using namespace std;

int main()
{
    key_t k = getkey();
    printf("key:%0x%x\n",k);
    int shmid = createShm(k);
    printf("shmid:%d\n",shmid);
    //sleep(5);
    char*start = (char*)attachShm(shmid);
    printf("attach success,address start:%p\n",start);
    //使用
    while(true)
    {
        printf("client say:%s\n",start);
        struct shmid_ds ds;
        shmctl(shmid,IPC_STAT,&ds);
        printf("获取属性：size:%d,pid:%d,myself:%d",ds.shm_segsz,ds.shm_cpid);
        sleep(1);
    }
    //去关联
    detachShm(start);
    sleep(10);
    //删除共享内存
    delShm(shmid);
    return 0;
}

文件client.cc

#include "comm.hpp"
#include 
using namespace std;

int main()
{
    key_t k = getkey();
    printf("key:%0x%x\n",k);
    int shmid = getShm(k);
    printf("shmid:%d\n",shmid);
    char*start = (char*)attachShm(shmid);
    printf("attach success,address start:%p\n",start);
    const char*message = "hello server,我是另一个进程，正在和你通信";
    pid_t id = getpid();
    int count = 1;
    //char buffer[1024];
    while(true)
    {
       sleep(5);
       snprintf(start,MAX_SIZE,"%s[pid:%d][消息编号:%d]",message,id,count++);
       // snprintf(buffer,sizeof(buffer),"%s[pid:%d][消息编号:%d]",message,id,count++);
      //  memcpy(start,buffer,strlen(buffer)+1);
    }
    detachShm(start);
    return 0;
}

三、共享内存的特点

1. 共享内存的生命周期是随OS的，而不是随进程，这是所有system V进程间通信的共性。

2. 共性内存是所有进程间通信速度最快的，因为共享内存是被双方所共享，只要一方有写入，另一方就会立即看到，这样可以大大减少数据的拷贝次数。（优点）

3. 综合考虑管道和共享内存：
   管道：
   写入端进程：需要通过键盘输入到自己定义的缓冲区char buffer[]，将数据拷贝到buffer中，再调用write接口将buffer中的数据拷贝到管道中。
   读取端进程：也定义了buffer缓冲区，调用read接口将数据从管道拷贝到buffer中，再将数据显示到显示屏上。
   共享内存：
   通过映射，直接从输入到共享内存，从共享内存到输出。

4. 共享内存不给我们提供同步和互斥的操作，无法对数据进行保护。客户端和服务端没有做保护，如果想要保护数据，需要用到信号量，对共享内存进行保护，写完通过读端读取。（缺点）

四、消息队列（了解）

1.概念

消息队列是OS提供的内核级队列，消息队列提供了推广从一个进程想另一个进程发送一块数据的方法。每个数据块都被认为是有一个类型，而接收者进程接收的数据块可以是不同的类型值。

2.消息队列数据结构

struct msqid_ds{
	struct ipc_perm msg_perm;
	time_t msg_stime;
	time_t msg_rtime;
	time_t msg_ctime;
	unsigned long __msg_cbytes;
	msgqnum_t msg_qnum;
	msglen_t msg_qbytes;
	pid_t msg_lspid;
	pid_t msg_lrpid;

消息队列数据结构的第一个成员是msg_perm，它和shm_perm是同一个类型的结构体变量——ipc_perm结构体。

3.消息队列的相关函数

msgget：获取消息队列

参数

key：ftok函数生成的一个key值，它作为msgget的第一个参数；
msgflg：与创建共享内存用的函数shmget的第三个参数相同；

返回值

返回一个有效的消息队列标识符。

msgctl：控制消息队列

它的参数与之前类似接口的参数相同。

msgsnd：发数据

参数

msqid：表示消息队列的用户级标识符；
msgp：表示待发送的数据块；
msgsz：表示待发送的数据块的大小；
msgflg：表示发送数据块的方式，一般默认为0。

返回值

发送成功返回0，发送失败返回-1.

msgrcv：读取消息队列

参数

mspid：表示消息队列的用户级标识符；
msgp：表示获取到的数据块（它是一个输出型参数）；
msgsz：表示要获取的数据块的大小；
msgtyp：表示要接收的数据块的类型；
msgflg：表示发送数据块的方式，一般默认为0。

返回值

成功返回实际获取到的mtext数组中的字节数，失败返回-1。

五、信号量

1.概念

信号量的本质是一个计数器，通常用来表示公共资源中资源数多少的问题。信号量主要是用于同步和互斥操作的。
公共资源：能被多个进程同时访问的资源。

1. 访问没有被保护的公共资源，会存在数据不一致的问题。（要让不同的进程看到同一份资源是为了进程间通信，通信是为了实现进程的协同，但是，不同进程访问同一份资源会导致该资源数据被修改，进而导致数据不一致的问题）
2. 被保护的公共资源称为临界资源，进程要访问资源，一定是进程中有对应的代码来访问这份资源，访问临界资源的代码就称为临界区。有临界区，自然就有非临界区。多进程访问一份临界资源的情况属于少数情况，大部分情况下进程都是申请自己独立的资源，不访问公共资源的代码就是非临界区。

为了避免数据不一致的问题，我们需要对公共资源进行保护，那么该如何保护呢？
答：互斥和同步。

1. 互斥：由于有各个进程要求共享资源的情况，并且有些资源需要互斥使用，因此各进程间需要竞争使用这些资源。进程的这种关系称为互斥。
2. 原子性：做一件事，只有做完和不做两态（即，要么做要么不做，不能做一半）。

为什么不用全局的整数来作为信号量？

因为全局的整数，有血缘关系的父子进程都不能同时看到（一旦一方修改，就会进行写时拷贝），而不同的进程更加不能看到。因此进程间想看到同一个计数器（可能会发生修改），就不能用全局的整数。

为什么需要信号量？

当我们想要申请某项共享资源时，我们需要通过信号量来预测该共享资源是否被使用。共享资源的使用方式：1.作为一个整体被整个使用（一个打印机，信号量是打印顺序，同一时间只能打印一份文件）；2.被划分为一个一个小的资源部分（电影院的座位，信号量是电影票，凭电影票进去看电影，同一场电影可以被多个人同时观看）。进程要访问某些共享资源时，要先申请信号量，申请成功就相当于预定了共享资源，即允许访问该共享资源。

2.信号量数据结构

3.信号量的原子操作（P/V操作）

所有进程在访问公共资源之前，都需要申请sem信号量，而申请信号量的前提是进程必须先看到同一个信号量，所以信号量本身就是一个公共资源。同时信号量的操作必须保证自身是安全的，因此++/–是原子性的。

特殊的：如果信号量的初始值为1，则表示该公共资源是作为一个整体来进行申请、使用、释放的。这种二院信号量是具有互斥功能的。

4.信号量的相关函数

semget：申请信号量

参数

key：使用ftok函数生成的key值，可以唯一表示共享内存；
nsems：表示创建信号量的个数；
semflg：与穿个件共享内存时使用的shmget函数的第三个参数相同。

返回值

信号量集创建成功时返回一个有效到的信号量集标识符。

semctl：信号量的删除

semop：信号量的操作

六、总结

我们发现：共享内存、消息队列、信号量的接口相似度都很高（参数很多都是相同的），获取和删除都是system V标准的进程间通信的操作。
OS的管理本质都是 先描述，再组织，对于共享内存、消息队列、信号量等的第一个成员都是结构体ipc_perm的变量。
虽然它们内部的属性差别很大，但是维护它们的结构的第一个成员是一样的，都可以用key值来标识唯一性。这样设计的好处：在操作系统中可以只定义一个struct ipc_perm结构体类型的数组，每当申请一个IPC资源就在该数组中多开辟一个这样的结构体变量的空间（（struct shmid_ds*）perms[0]，像这样进行强转强转，此时就能访问其他的属性）

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总结

以上就是今天要讲的内容，本文介绍了进程间通信的system V的相关概念。本文作者目前也是正在学习Linux相关的知识，如果文章中的内容有错误或者不严谨的部分，欢迎大家在评论区指出，也欢迎大家在评论区提问、交流。
最后，如果本篇文章对你有所启发的话，希望可以多多支持作者，谢谢大家！