linux io 学习笔记（03）---共享内存，信号灯，消息队列

system V IPC

1）消息队列

2）共享内存

3）信号灯（信号量集）

1.消息队列、

　　ipcs -q 查看系统中使用消息队列的情况

　　ipcrm -q +msqid 删除消息队列

　　消息队列工作原理：在内核空间上创建队列，信息发送者将发送信息打包成结点添加到队列中，信息的接受者选择性从队列上读取想要的节点

　　1）创建队列，2）向队列中添加信息，3）从队列中移除信息，4）实现队列的控制（获取队列的属性，设置队列的属性，删除不使用的队列）

　　1）创建队列：

　　　　　　函数原型：key_t ftok(const char *pathname,int proj_id);

　　　　　　功能　　：生成key值

　　　　　　参数　　：pathname 路径名（用户给定，路径必须真实存在）

　　　　　　　　　　　　proj_id 传字符

　　　　　　返回值：成功  key值  随机数

　　　　　　　　　　失败：-1

　　　　　　函数原型：intmsgget（key_t key,int msgflg）;

　　　　　　功能：　　创建消息队列

　　　　　　参数：　　key 值  0或非0　　key值确保消息队列的唯一性

　　　　　　　　　　　　msgflg   标志位　　　　IPC_CREAT|IPC_EXCL|0664    创建并打开消息队列（如果消息队列不存在，自动创建，如果存在，返回EEXIST）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　0664     按该权限打开消息队列。

　　　　　　返回值：成功：  消息队列标识符

　　　　　　　　　　失败   -1

　　2）添加消息

　　　　函数原型：int msgsnd(int msqid,const void *msgp,size_t msgsz,int msgflg);

　　　　功能　　：将消息添加到队列的末尾

　　　　参数　　：msqid  消息队列的标识符

　　　　　　　　　 msgp  发送的消息

　　　　　　　　　　　　struct msgbuf{

　　　　　　　　　　　　　　　　　　long mtype;  消息的类型

　　　　　　　　　　　　　　　　　　char mtext[1];  消息的征文

　　　　　　　　　　　　　　　　}；

　　　　　　　　　 msgsz　消息征文的大小

　　　　　　　　　 msgflg　　0  消息队列没空间，写操作阻塞

　　　　返回值　　： 成功：0；失败：-1；

　　3）将消息从队列中移除

　　　　　函数原型：ssize_t masrcv(int msqid,void *msgp,size_t msgsz,long msgtype,int msgflg);

　　　　　参数　　：msqid 消息队列标识符

　　　　　　　　　　msgp  保存接受的消息（定义和写入时保持一致）

　　　　　　　　　　msgsz  消息正文的大小

　　　　　　　　　　msgtype 消息的类型　　　　0  读取消息队列中的第一个消息

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　>0    读取消息队列中类型为msgtype 的第一个消息

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　<0     读取消息队列中不小于msgtype 的绝对值，且类型最小的第一个消息

　　　　　　　　　　msgflg    0　　消息队列中无数据，读操作阻塞

　　　　　　返回值：成功  消息正文的大小

　　　　　　　　　　失败  -1

　　4）对消息队列的控制

　　　　　　函数原型：int msgctl(int msqid,int cmd,struct msqid_ds *buf);

　　　　　　功能　　：实现对消息队列的控制

　　　　　　参数　　：msqid 消息队列的标识符

　　　　　　　　　　：cmd  制定消息队列的操作处理

　　　　　　　　　　　　　　IPC_STAT   从第三个参数读取消息队列的属性信息

　　　　　　　　　　　　　　IPC_SET　　设置消息队列的属性

　　　　　　　　　　　　　　IPC_RMID　　删除消息队列

　　　　　　　　　　：buf　　描述消息队列属性的结构体　　　　　　　　　　

struct msqid_ds {

struct ipc_perm msg_perm; /* Ownership and permissions */ 消息队列的权限
time_t msg_stime; /* Time of last msgsnd(2) */ 消息队列发送消息的时间
time_t msg_rtime; /* Time of last msgrcv(2) */ 消息队列接受消息的时间
time_t msg_ctime; /* Time of last change */ 消息队列改变的时间
unsigned long __msg_cbytes; /* Current number of bytes in
queue (nonstandard) */ 消息队列当前的字节数
msgqnum_t msg_qnum; /* Current number of messages
in queue */ 消息队列当前消息的个数
msglen_t msg_qbytes; /* Maximum number of bytes
allowed in queue */ 消息队列最大的字节数
pid_t msg_lspid; /* PID of last msgsnd(2) */ 发送消息的用户ID
pid_t msg_lrpid; /* PID of last msgrcv(2) */ 接收消息的用户ID

};

返回值：成功 0
失败 -1

实现两个终端数据交互（创建子进程）   

2.共享内存

　　工作原理：系统为每一个进程创建4G的虚拟地址空间，共享内存开辟一块实际的物理内存区域（共享内存区域）将该区域映射给每一个进程

　　本质　　：多进程实际都是在访问同一块物理内存区域

　　　其通信效率最高，适用场合：实现实时数据传输

　　　多进程访问同一块物理内存区域，容易产生竟态，共享内存结合同步互斥机制，保证数据的正确性，任何一个时刻只有一个任务在访问共享的内存区域

　　1）申请物理内存区域

　　　　函数原型：int shmget(key_t key,size_t size,int shmflg);

　　　　功能　　：开辟实际物理内存区域

　　　　参数　　：key：  来自ftok

　　　　　　　　：size  物理内存的大小

　　　　　　　　：shmflg  　　IPC_CREAT|IPC_EXCK|0664   创建并打开物理内存（内存不存在，开辟；已存在，报错）

　　　　返回值　：成功     共享内存的标识符

　　　　　　　　　失败  -1

　　2）将物理内存映射到进程的虚拟地址空间上（进程只需要操作属于自己的虚拟地址空间，本质访问实际物理内存）

　　　　函数原型： void *shmat(int shmid,const void *shmaddr,int shmflg);

　　　　功能　　：将物理内存区域映射到进程的虚拟地址空间（将物理地址转换为虚拟地址）

　　　　参数　　：shmid　　共享内存标识符

　　　　　　　　：shmaddr　　NULL   将物理内存映射进程一个合理的位置（未使用，且内存足够大区域）

　　　　　　　　：shmflg　　0  对于共享内存段，可以实现读写

　　　　返回值　　：成功  链接物理内存的虚拟地址

　　　　　　　　　　失败   -1

　　3）将物理内存释放

　　　　函数原型：int shmctl(int shmid,int cmd,struct shmid_ds *buf);

　　　　功能　　：实现对共享内存的控制

　　　　参数　　：shmid　　共享内存的标识符

　　　　　　　　：cmd　　制定对共享内存的操作

　　　　　　　　　　　　　　IPC_STAT   从第三个参数中读取共享内存的属性信息

　　　　　　　　　　　　　　IPC_SET　　设置共享内存的属性信息

　　　　　　　　　　　　　　IPC_RMID　　删除共享内存

　　　　　　　　：buf　　描述共享内存属性的结构体

struct shmid_ds {  
struct ipc_perm shm_perm; /* Ownership and permissions */ 访问的权限
size_t shm_segsz; /* Size of segment (bytes) */ 共享内存的大小
time_t shm_atime; /* Last attach time */ 上一次被映射的时间
time_t shm_dtime; /* Last detach time */ 上一次被断开映射的时间
time_t shm_ctime; /* Last change time */ 上一次改变的时间
pid_t shm_cpid; /* PID of creator */ 创建共享内存的用户ID
pid_t shm_lpid; /* PID of last shmat(2)/shmdt(2) */ 上一次执行映射和断开映射的进程ID
shmatt_t shm_nattch; /* No. of current attaches */ 被映射的次数（编号）
...
};
返回值：成功 0
失败 -1

 

 4.信号灯

　　信号灯：信号量集

　　信号量的核心：PV操作

　　1）创建多个信号量

　　　　函数原型：int semget(key_t key,int nsems,int semflg);

　　　　功能　　：创建或打开多个信号量

　　　　参数　　：key 值   ftok

　　　　　　　　：nsems   创建或打开信号量的个数

　　　　　　　　：semflg   IPC_CREAT|IPC_EXCL|0664    创建并打开信号量（信号量存在，报错，不存在，自动创建）

　　　　　　　　： 0664     打开信号量集的标识符

　　　　返回值： 成功：信号量集的标识符，失败：-1

　　2）申请，释放信号量

　　　　函数原型：int semop(int semid,struct sembuf *sops,unsigned nsops);

　　　　功能　　：实现对信号量集的操作

　　　　参数　　：semid 信号量集的标识符

　　　　　　　　:  sops:

struct sembuf{
　　unsigned short sem_num; /* semaphore number */ 信号量的编号
　　short sem_op; /* semaphore operation */ 
　　　　　　1　　 释放信号量 值+1
　　　　　　0 等待信号量的值变为0
　　　　　　-1 申请信号量 值-1
short sem_flg; /* operation flags */ 默认为0
}
nsops 本次函数操作的信号量的个数
返回值：成功 0
失败 -1

　　　3)信号量集的控制

函数原型：int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
功能：实现对信号量集中某一个信号量的控制
参数：semid 信号量集的标识符
semnum 信号量集信号量的编号
cmd 指定对信号量的控制 
IPC_STAT 获取信号量的属性信息
IPC_SET 设置信号量的属性信息
IPC_RMID 删除信号量
SETVAL 设置第semnum个信号量的初始值
GETVAL 获取第semnum个信号量的值
返回值：成功 0
GETVAL 当前信号量的值

失败 -1
　　... 附件参数
　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) */
　　};
信号量的属性
truct semid_ds {
　　struct ipc_perm sem_perm; /* Ownership and permissions */ 访问的权限 
　　time_t sem_otime; /* Last semop time */ 上一次PV操作的时间
　　time_t sem_ctime; /* Last change time */ 上一次改变的时间
　　unsigned short sem_nsems; /* No. of semaphores in set */ 信号量集合中信号量个数
};