【Linux】第三十五站：信号量和消息队列

一、消息队列

1.消息队列原理

如下图所示

如果我们想让进程间通信，那么必要的条件就是让不同的进程看到同一份资源，这个资源可以是文件缓冲区，内存块，队列等

而消息队列也是一样，一定要让不同的进程看到同一个队列

除了上面的，还要允许不同的进程向内核中发送带类型的数据块

所以要让

A进程 <---- 数据块的形式发送数据 ----> B进程

这个消息队列只能由操作系统来提供，而且也一定要先描述在管理

2.消息队列的接口

2.1 创建一个消息队列

#include 
#include 
#include 
int msgget(key_t key, int msgflg);

这个与共享内存的接口很像，第一个参数是一个key，第二个参数也是IPC_CREAT和IPC_EXCL

而这个key它的值还是从前面的地方来的

#include 
#include 
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

这个msgget的返回值是成功返回一个消息队列标识符，失败返回-1。与前面的共享内存是极度相似的

2.2 释放消息队列

#include 
#include 
#include 

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

还是同样的接口，对于第二个参数，如果要释放，还是这个IPC_RMID

第三个参数的结构体也是很相似的

里面区分消息队列的也是key

2.3 发送数据和接收数据

共享内存用的是挂接和去挂接。然后就可以直接用了

而消息队列用的是这个接口，发送数据和接收数据

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

对于第一个函数

第一个参数是消息队列的标识符

第二个参数是要发送数据块的起始地址

第三个是要发送数据块的大小

第四个一般直接设置为0

这个第二个参数是void*的原因是要自己定义一个struct结构体，如同上面所示的那个msgbuf，只要保证第一个是类型，第二个是内容即可

第二个函数是用于接收数据的

第一个参数是从哪个消息队列拿

第二个参数和第三个参数与第一个函数是同样的道理，相当于一个缓冲区

第四个参数是要读取的哪一种类型的数据。也是我们在结构体中定义的

第五个参数和前面一样，默认为0即可

3.查找消息队列

和共享内存一样，下面这个指令可以去查找当前的消息队列

ipcs -q

如果我们要删除的话，用这个指令

ipcrm -q XXX(msqid)

4.信号量的接口（了解）

我们先来看信号量的接口

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

这个与前面的是极度相似的

还有下面这个接口

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

它里面也有对应的数据结构

5.结论

我们通过观察这些system v系列的接口，我们发现他们都有一个这样的数据结构,

XXXid_ds{
	struct ipc_perm XXX_perm
    //....
}

里面的这个结构，它里面的字段都是一样的都是些权限

二、IPC在内核中的数据结构设计

首先我们要知道的是，在操作系统中所有的IPC资源全部被整合在了一个IPC模块当中的！

如下所示，是System V方式的三种IPC方式的内核数据结构

这些数据结构都是要被管理起来的

我们要注意的是，它的第一个字段都是一模一样的结构体的。

在操作系统中还有一个数组，每当创建一个共享内存、消息队列、信号量等时候，就会将这个第一个字段的地址填入到这个数组中

未来当我们要去寻找一个共享内存是否存在的时候，就会直接去遍历这个数组里面的key，然后从而就可以进行直接比对key就知道了它是否已经创建了。

而且这个数组的下标就是所谓的XXXid,比如shmid等等

那么如何访问其他的成员呢？

注意看，这里正好是放在了第一个字段，所以这个字段的地址正好就是这个数据结构的地址。我们只需要将这个地址强转为这个数据结构的地址，然后就可以访问其他成员了！

那么现在问题来了，我们怎么知道我们要转成什么类型呢？

这其实是什么这个第一个字段的 xxx_perm结构体里面，有一个字段标志着是哪种资源，所以可以知道强转成什么类型

即OS能区分指针指向的对象的类型

而上面的这个操作，其实我们仔细一想，这不就是多态吗。struct ipc_perm是基类，其他的这些struct xxxid_ds就是子类

还有一点值得注意的是，这个数组是单独存在的，不隶属于任何进程。他是操作系统层面维护的一个数组，他跟文件描述符表没任何关系，这也导致这个数组最后被边缘化了，因为它没法和任何进程关联。

而且这个数组的下标是不断增大的。线性递增的。当达到最大的时候，才会回绕到0

三、信号量

1.临界资源与临界区

如下图所示，是之前共享内存的基本原理

这里会出现一个问题：

当我们的A正在写入，写入了一部分，就被B进程拿走了，导致双方发和收的数据不完整，就导致了数据不一致问题。

而管道就自带同步机制，不会出现这个问题

这个共享内存就是没有任何的保护机制的

1. A B看到的同一份资源，共享资源，如歌不加保护，会导致数据不一致的问题
2. 我们可以通过加锁 – 互斥访问 – 即任何时刻，只允许一个执行流访问共享资源 — 这就是互斥
3. 我们将这种共享的，任何时刻只允许一个执行流访问的资源叫做临界资源 — 一般是内存空间，比如管道等
4. 举例：100行代码，只有5~10行代码才在访问临界资源。而我们将降温临界资源的代码称之为临界区

像我们的一个现象：在多进程、多线程并发打印的时候。显示器上的信息：是错乱的，混乱的，和命令行混在一起的。

这就是因为显示器是一种临界资源。

2.信号量原理

信号量/信号灯的本质是一把计数器，类似于但不等于 int cnt = n

用于描述临界资源中资源的数量！

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比如说放映厅放100张票，当我们看电影的时候，我们还没去看电影，先买票，而买票的本质就是对资源的预定机制。

对于票数的计数器，每卖一张票，计数器要减1，放映厅的资源就要少一个

票数的计数器到0之后，资源就已经被申请完毕了

不过我们最怕的是，多执行流访问同一个资源，即n个资源被n+个执行流访问，一旦出现，就会发生像前面的显示器打印混乱现象

int cnt = 15； //我们引入一个计数器
int number = cnt--; //申请资源
cnt <= 0 //资源申请完了，再有执行流，就不给了

1. 申请计数器成功，就表示我们具有访问资源的权限了！
2. 申请了计数器资源，我当前要访问我们要的资源了吗？当然没有，申请了计数器资源是对资源的预定机制
3. 计数器可以有效保证进入共享资源的执行流的数量
4. 所以每一个执行流，想访问共享资源中的一部分的时候，不是直接访问，而是先申请计数器资源。看电影的先买票！

我们将这个“计数器”，叫做信号量！

如果我们前面所提到的放映厅只有一个座位！，那么我们只需要一个值为1的计数器。

此时只有一个人能抢到这份资源，只有一个人能进放映厅看电影。即看电影期间只有一个执行流在访问临界资源。

这就是互斥！！！

所以我们把值只能为1，0两态的计数器叫做二元信号量，本质就是一个锁

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上面中，我们凭什么让计数器为1??这是因为资源为1了，也就是说本质就是将临界资源不要分成很多块了，而是当作一个整体，整体申请，整体释放！！

思考一下：

要访问临界资源，先要申请信号量计数器资源。

所以信号量计数器，不也就是共享资源吗？？？

int cnt = 10;
cnt--;

而要保护别人，我们先要保证自己的安全！！

而直接对一个整数–，并不安全。

这个cnt–;在C语言上是一条语句。

如果变成汇编，是多条（一般是3条）汇编语句

①cnt变量的内容，内存先要到CPU寄存器上

②CPU内进行–操作

③将计算结果写回cnt变量的内存位置

所以进程在运行的时候，可以随时被切换。这里其实就是有问题的，我们后序在说明

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要处理上面的问题，操作系统就有一个信号量

申请信号量，本质是对计数器–，P操作

释放资源，释放信号量，本质是对计数器进行++操作系，也叫做V操作

申请和释放PV操作一定就是原子的！！！

原子的意思是一件事情要么不做，要做就做完，是两态的。没有“正在做”这样的概念！

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最终结论

1. 信号量本质是一把计数器，PV操作是原子的

2. 执行流申请资源，必须先申请信号量资源，得到信号量之后，才能访问临界资源！！

3. 信号量值1，0两态的。二元信号量，就是互斥功能

4. 申请信号量的本质，是对临界资源的预定机制！！

3.信号量的接口

system V的信号量接口是最难的。

3.1申请信号量

下面的系统调用的功能就是申请一个信号量集

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

第一个参数是key，我们用ftok获取

第二个参数申请几个资源，如果申请一个就是1

第三个参数是设置为O_CREAT和O_EXCL，和前面一样

返回值就是信号量集标识符

这里需要注意，多个信号量和信号量是几是不一样的

3.2删除信号量

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

第一个参数是信号量的标识符

第二个是几个信号量

第三个删除操作

可变部分可以传递信号量对应的结构体

同时这个函数除了删除信号量，也可以设置信号量

如果只有一个信号量，那么这个编号直接设置为0，cmd设置为SET。最后可变部分传递这个联合体，最终这个信号量初始值就被设置为对应的值

3.3信号量的操作

#include 
#include 
#include 
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
int semtimedop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops, struct timespec *timeout);

第一个函数中

第一个参数是对哪一个信号量进行操作

第二个参数是一个我们自定义的结构体

这个结构体中，第一个参数是想对哪一个信号量进行操作，如果只有一个，那就直接传0。第二个op要么是1要么是-1。如果是1就是对这个信号量+1，如果是-1，就是对这个信号量-1。从而可以进行PV操作

4.信号量凭什么是进程间通信的一种？

1. 通信不仅仅是通信数据，互相协同也是
2. 要协同，本质也是通信，信号量首先要被所有的通信进程看到！！

四、mmap

mmap函数其实也是共享内存

只不过它与前面的共享内存不同的是，它是将数据放到了磁盘上