System V三种IPC编程巧学巧记

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概述

        System V（“系统五”）系统上发明了三种IPC机制（消息队列、信号量和共享内存），通常称为System V IPC。又因为后来被收录到Unix的XSI标准之中故又称为XSI IPC。所以当你看到System V IPC 和 XSI IPC的时候实际上指的是同一种东西。

        C语言是一门面向过程的语言，与OO（面向对象）语言不同，它没有做到数据和操作的封装。因此在编写C语言程序的时候暴露在你面前的是一大堆函数。由于缺少OO的那层抽象，增加了记忆时的复杂度，因此如果你对函数分不清的话，常常会使你在编程的时候焦头烂额。

        本文不会详实地介绍各个函数的参数、返回值等等这些细节，这些你在Unix或Linux编程的书中应该都能找到。本文的目的是帮助你打通三种IPC之间关系的任督二脉，从而强化理解，减轻记忆难度。

化简为繁 理解英文

        C语言中所有标识符都是用英文字母组成的，这点毋庸置疑。如果我们能善于找到各种缩写的原型，去理解它的英文释义，就能帮助我们记忆。

比如三个IPC的缩写：

缩写	全写	释义
msg	message (queue)	消息队列
sem	semaphore	信号量
shm	shared memory	共享内存

        这三个缩写常用在出现在操作函数的 函数名之中。此外还出现在对应的 头文件的名称之中。接下来我还会介绍更多函数名的英文释义。

一马当先 头文件

        在使用三种IPC机制的时候，我们肯定是通过系统调用，而这些函数所需要的头文件需要首先搞清楚。System V的IPC操作要用到的头文件有：

#include <sys/types.h> //公共头文件，声明了key_t类型
#include <sys/ipc.h>   //公共头文件

#include <sys/msg.h>   //消息队列函数的头文件
#include <sys/sem.h>   //信号量函数的头文件
#include <sys/shm.h>   //共享内存函数的头文件

        这里用到的头文件都是在 sys目录下的。前面两个是公共的头文件，也就是说三种IPC机制都有用到，而后面三个是和具体的IPC机制相关的，通过头文件的名称我们能发现它们同样满足前面所说的缩写。

一脉相承 同宗同源

ftok()

        三个IPC机制会用到大量的函数，不同IPC所用到的函数不同但是有一个是相同的——ftok()

        Unix系统中有个重要的概念叫做：万物皆文件。在很多IPC机制中的操作都是针对文件描述符（简称 fd）的，然而System V却不同，它没有对fd进行操作，而是针对 IPC对象的id来操作的，而这个id（标识符）又是通过key（键）来生成的。

        三种IPC有各自的函数来生成id，但是它们所利用的key却都由函数ftok()生成，看一下函数声明：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>

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

        ftok的英文可以理解为 file to key 的缩写。即将文件转换成key。

        参数pathname是文件路径名（该文件必须存在，通常用当前路径名  “.”）；proj_id被称作子id，自己指定一个整型。 注意如果两个进程要通过System V的IPC通信，那么它们的ftok函数的两个参数必须相同，这样才能生成同样的key，从而产出同样的id。

        返回值类型key_t在<sys/types.h>中被定义，实际是一个整型（32位），该key是路径名和子id共同作用的结果。这里要用到该文件路径的stat结构。（系统中每一个文件都有其对应的stat结构）。

• key的31~24位为ftok函数第二个参数proj_id的低8位。
• key的23~16位为该文件stat结构中st_dev属性的低8位。
• key的15~0位为该文件stat结构中st_ino属性的低16位。

ipc_perm

        这是一个结构体。他的英文含义是： ipc permission（IPC权限）

struct ipc_perm {
    key_t          __key; /* key */
    uid_t          uid;   /* 所有者的有效用户ID */
    gid_t          gid;   /* 所有者的有效组ID */
    uid_t          cuid;  /* 创造者的有效用户ID */
    gid_t          cgid;  /* 创造者的有效组ID */
    unsigned short mode;  /* 权限 */
    unsigned short __seq; /* 可忽略 */
};

         三种IPC机制都有对应的结构体，这些结构体中有一个 共同的成员就是这个ipc_perm，用来标识IPC对象的权限。

函数调用 异曲同工

         不同IPC机制之中的很多函数之间有着异曲同工之妙，学会分类，找到各自的相同点和不同点。

分类	创建函数	控制函数	独立函数
消息队列	msgget	msgctl	msgsnd，msgrcv
信号量	semget	semctl	semop
共享内存	shmget	shmctl	shmat，shmdt

横着看。可以清楚的看到同一行的函数名都有同一个头。这个头就是IPC机制的缩写：msg、sem和shm。

竖着看。我把每种IPC函数都分成三类：创建函数、控制函数和独立函数。创建函数和控制函数是三种IPC都有的，而独立函数指的是与具体IPC机制特性相关的函数。

• 创建函数（get函数）创建的是IPC对象的标识符（id），它们以ftok生成的键（key）为参数（以及其他参数）生成。
• 控制函数（ctl函数）控制的是对应IPC数据结构的成员属性，从而改变IPC对象的状态。

get函数 类比印证

        实际上key和id都能唯一地标识一个IPC对象，但是之所以没有直接对key操作，而是拐弯对id进行操作，是因为id除了能唯一标识IPC对象之外，还包含其他信息（比如权限）。因此通过get函数生成的id，可以类比 文件描述符（fd），而get函数在功能上来说可以类比 open函数。

        只能说IPC的id可以类比文件描述符fd，实际上它并不是fd的一种。不信你可以写个程序创建一个消息队列，然后进入死循环，去/proc/进程id/fd/目录下面看看有没有这个id值。fd是进程相关的，进程终止之后fd被释放，而IPC对象在进程结束之前如果没有显示的删除，那么及时进程结束了，它还独立存在。

int msgget(key_t key, int flag);
int semget(key_t key, int nsems, int flag);
int shmget(key_t key, size_t size, int flag);

        这个函数都有一个flag参数（由逻辑或组成），该参数也可类比open函数的flag参数，虽然取值不尽相同。这三个函数的flag取值是一样的。

• IPC_CREAT    如果key不存在，则创建(类似open函数的O_CREAT)
• IPC_EXCL       如果key存在，则返回失败(类似open函数的O_EXCL)
• IPC_NOWAIT  如果需要等待，则直接返回错误

通常的用法是 IPC_CREAT|IPC_EXCL ，如果不存在key则创建它，如果已存在则返回失败（EEXIST）。       

        上面讲得是一个 类比的记忆与学习方法。另外我还提到了一个 印证，指的是和shell的命令相印证，Linux中有三个命令是和System V的三个IPC相关的：

• ipcmk
• ipcrm
• ipcs

其中ipcmk命令用于创建IPC对象，来看一下它的三个主要选项：

选项	描述
-Q	创建一个消息队列
-S	创建信号量，后跟一参数指明数量
-M	创建共享内存，后跟一参数指明大小

        可知创建消息队列的时候选项后面是没有参数的，而创建信号量和共享内存的时候选项后面还有一参数（用于指明数量或大小）。正好信号量和共享内存的get函数也比消息队列多一个。

ctl函数 抽丝剥茧

int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);     //有三参数和四参数两种，根据cmd的不同而不同
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

       

 三个ctl控制函数其实是在操作三种IPC机制对应的三种数据结构：

• msqid_ds
• semid_ds
• shmid_ds

        它们有共同的后缀—— id_ds。ds就是 data structure(数据结构)的意思。

     此处要注意的是消息队列的对应的结构体名称，其前缀为msq而非msg（这个缩写有点违和，取了队列的首字母q）

        这些结构体中有一个 共同的成员就是前面提到的 ipc_perm。具体每个结构体的成员有谁，这里篇幅有限，不赘述，大家自行百度谷歌，或者去 man一下其对应的的 控制函数。大家在学习过程中就要一层一层的抽丝剥茧，看到函数的参数是结构体，就要去探究结构体的成员，看到它的成员也是结构体，那么就要继续探究。

这三个函数都有一个cmd参数（控制参数），不同的IPC机制它们的控制参数是不一样的。但是由几个控制参数是公共的（定义在ipc.h中）。下面以消息队列为例（也适用于信号量和共享内存）

IPC_RMID	删除消息队列。只能由其创建者或超级用户（root）来删除
IPC_SET	设置消息队列的属性。按照buf指向的结构中的值，来设置此IPC对象
IPC_STAT	读取消息队列的属性。取得此队列的msqid_ds结构，并存放在buf中
IPC_INFO	（只有Linux有）返回系统级的限制，结果放在buf中

除此之外，不同的IPC机制还支持各自的控制参数，也不赘述了。