【Linux学习】进程间通信 (3) —— System V (1)

news2024/11/18 14:23:33

下面是有关进程通信中 System V 的相关介绍，希望对你有所帮助！

小海编程心语录-CSDN博客

目录

1. System V IPC

1. 消息队列 msg

消息队列的使用方法

1.1 消息队列的创建

1.2 向消息队列发送消息

1.3 从消息队列接收消息

1.4 使用msgctl函数显式地删除MSG对象

2.共享内存 shm

使用共享内存的一般步骤

2.1 创建或打开SHM

2.2 获取共享内存地址

2.3 解除映射

2.4 共享内存控制函数

3. 信号量 sem

3.1 基本概念

3.2 P/V操作

3.3 核心API及实现步骤

1. System V IPC

System V IPC包括消息队列、共享内存、信号量,V 是罗马数字 5，是 Unix 的AT&T 分支的其中一个版本，一般习惯称呼他们为IPC对象，这些对象的操作接口都比较类似，在系统中他们都使用一种叫做 key 的键值来唯一标识，而且他们都是“持续性”资源--即他们被创建之后，不会因为进程的退出而消失，而会持续地存在，除非调用特殊的函数或者命令删除他们。

 它们有如下共同的特性：

在系统中使用所谓键值（KEY）来唯一确定，类似于文件系统中的文件路径

当某个进程创建（或打开）一个IPC对象时，将会获得一个整型ID，类似于文件描述符

IPC对象属于系统，而不是进程，因此在没有明确删除操作的情况下，IPC对象不会因为进程的退出而消失

- 查看IPC对象
ipcs -q/m/s/a

- 删除IPC对象
ipcrm -Q key : 删除指定的消息队列
ipcrm -q id : 删除指定的消息队列

ipcrm -M key : 删除指定的共享内存
ipcrm -m id： 删除指定的共享内存

ipcrm -S key : 删除指定的信号量
ipcrm -s id： 删除指定的信号量

1. 消息队列 msg

消息队列可以认为是一个消息列表。消息队列提供一种带有数据标识的特殊管道,使得每一段被写入的数据都变成带标识的消息，读取该段消息的进程只要指定这个标识就可以正确地读取，而不会受到其他消息的干扰，从运行效果来看，一个带标识的消息队列，就像多条并存的管道一样。

消息队列实现了对消息发送方和消息接收方的解耦，一个进程在往一个消息队列中写入消息之前，不需要有某个进程在该队列上等待消息到达。使得双方可以异步处理消息数据，这一特点对分布式环境特别有用。

消息队列的使用方法

1.发送者:

A)获取消息队列的 ID号 => 先获取key值(ftok)，再用 msgget 获取ID号

int msgid;
msgid = msgget(ftok(".", 1), IPC_CREAT|0666);

B)将数据放入一个附带有标识的特殊的结构体，发送给消息队列。 

struct msgbuf
{
    // 消息类型（固定）
    long mtype;

    // 消息正文（可变）
    // ...
};

2.接收者:

A)获取消息队列的 ID号

B)将指定标识的消息读出。

当发送者和接收者都不再使用消息队列时，及时删除它以释放系统资源。==> msgctl

1.1 消息队列的创建

//函数原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

int msgget(key_t key, int msgflg);

key:键值，全局唯一标识，可由ftok()产生
msgflg:操作模式与读写权限，与文件操作函数open类似，同时也可以指定权限，取值为：
        IPC_CREAT:用来创建一个消息队列
        IPC_EXCL:查询由key指定的消息队列释放存在
        IPC_NOWAIT:之后的消息队列操作都为非阻塞
返回值：消息队列MSG对象ID

1.2 向消息队列发送消息

//函数原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

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

msgqid：MSG对象的ID，由msgget()获取。

msgp：一个指向等待被发送的消息的指针

msgsz:消息正文的长度（单位字节），注意不含类型长度
msgflg:发送选项，一般有：
        0:默认发送模式，在MSG缓冲区已满的情形下阻塞，直到缓冲区变为可用状态
        IPC_NOWAIT:非阻塞读写模式，在MSG缓冲区已满的情形下直接退出函数并设置错误码为EAGAIN

1.3 从消息队列接收消息

//函数原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

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

msgqid:MSG对象的D,由msgget(0获取
msgp:存放消息的内存入口
msgsz:存放消息的内存大小N
msgtyp:欲接收消息的类型，前后要一致
        0:不区分类型，直接读取MSG中的第一个消息
        大于0：读取类型为指定msgtypl的第一个消息
        小于0：读取类型小于等于msgtyp绝对值的第一个具有最小类型的消息。例如当MSG对象中有类型为3、1、5类型消息若干条，当msgtyp为-3时，类型为1的第一个消息将被读取
msgflg:接收选项
        0:默认接收模式，在MSG中无指定类型消息时阻塞
        IPC_ NOWAIT:非阻塞接收模式，在MSG中无指定类型消息时直接退出函数并设置错误码为ENOMSG
        MSG_EXCEPT:读取除msgtyp之外的第一个消息
        MSG_NOERROR:如果待读取的消息尺寸比nsgsz,大，直接切割消息并返回msgsz部分，读不下的部分直接丢弃。
若没有设置该项，则函数将出错返回并设置错误码为E2BG 

1.4 使用msgctl函数显式地删除MSG对象

//函数原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

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

msqid:MSG对象ID
cmd:控制命令字
        IPC_STAT:获取该MSG的信息，储存在结构体msqid ds中

        IPC_SET:设置该MSG的信息，储存在结构体msqid ds
        IPC_RMID：立即删除该MSG,并且唤醒所有阻塞在该MSG上的进程，同时忽略第三个参数

2.共享内存 shm

共享内存是通过不同进程共享一段相同的内存来达到通信的目的，共享内存是众多IPC方式最高效的一种方式，一般情况下共享内存是不能单独使用的，需要配合诸如互斥锁、信号量等协同机制使用

像上图所示，当进程 P1 向其虚拟内存中的区域1写入数据时,进程2就能同时在其虚拟内存空间的区域2看见这些数据，中间没有经过任何的转发，效率极高。

使用共享内存的一般步骤

  1. 创建ipc系统唯一标识key -> ftok
  2. 创建共享内存 -> shmget
  3. 映射共享内存 -> shmat
  4. 共享内存读写
  5. 解除共享内存映射 -> shmdt
  6. 删除共享内存 -> shmctl

2.1 创建或打开SHM

//函数原型
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

key:SHM对象键值
size:共享内存大小
shmflg:创建模式和权限
        IPC_CREAT:如果ky对应的共享内存不存在，则创建SHM对象
        IPC_EXCL:如果该ky对应的共享内存已存在，则报错
        权限与文件创建open类似，用八进制表示
        SHM HUGETLB
返回值：SHM对象ID 

2.2 获取共享内存地址

        函数shmat()用来获取共享内存的地址,获取共享内存成功后,可以像使用通用内存一样对其进行读写操作。

//函数原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>

void *shmat (int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

shmid:指定的共享内存的ID
shmaddr:指定映射后的地址，因为是虚拟地址，分配的原则要兼顾诸如段对齐、权限分配等问题，因此用户进程是无法指定的，只能由系统自动分配，因此此参数一般为NU儿L,表示交由系统来自动分配
shmflg:可选项
        0:默认，代表共享内存可读可写
        SHM_RDONLY:代表共享内存只读
返回值：共享内存映射后的虚拟地址入口 

2.3 解除映射

//函数原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>

int shmdt(const void *shmaddr);

使用完SHM对象后，需要将其跟进程解除关联关系，即解除映射

2.4 共享内存控制函数

//函数原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid ds *buf);

删除SHM对象，释放内存

shmid:指定的共享内存的ID
cmd:一些命令字
        IPC_STAT:获取共享内存的一些信息，放入shmid_ds{.}中
        IPC_SET:将buf中指定的信息，设置到本共享内存中
        IPC_RMID:删除指定的共享内存，此时第三个参数buf将被忽略
buf:用来存放共享内存信息的结构体 

3. 信号量 sem

信号量SEM全称Semaphore，中文也翻译为信号灯，作为Systemc-V IPC其中一种，信号量与消息队列MSG和共享内存SHM有极大的不同，SEM不是用来传输数据的，而是用来协调进程或者线程工作的，像是一种旗语。

Linux 中用到的信号量有3种:ststem-V 信号量、POSIX有名信号量和 POSIX无名信号量。他们虽然有很多显著不同的地方，但是最基本的功能室一致的:用来表征一种资源的数量，当多个进程或者线程争夺这些稀缺资源的时候，信号量用来保证他们合理地、秩序地使用这些资源，而不会陷入逻辑谬误之中。信号量机制是一种有效的进程同步和互斥工具，

3.1 基本概念

  • 临界资源（Critical Resources）：多个进程或线程有可能同时访问的资源
  • 临界区（critical zone）：访问这些资源的代码称为临界代码，这些代码区域称为临界区
  • P操作：程序进入临界区之前必须对资源进行申请，这个动作称为P操作
  • V操作：程序离开临界区之后必须释放相应的资源，这个动作称为V操作

3.2 P/V操作

PV操作就是荷兰语Passeren（通过），Vrijgeven（释放）的简称。对应的就是 wait 等待，signal 释放操作。

P操作：S=S-1,若S≥0，进程继续执行；若S<0,进程暂停执行，进入等待队列。即执行P操作时，有可用资源则继续执行，无可用资源测等待。

V操作：S=S+1,若S>0，进程继续执行；若S≤0,唤醒等待队列中的一个进程。即执行V操作时，无等待进程则继续执行，有等待进程则唤醒该进程，然后本进程继续执行。

进程的互斥：指当一个进程进入临界区使用临界资源时，需要使用临界资源的其他进程必须等待。退出临界区后，需要使用该临界资源的进程解除阻塞。互斥是进程之间的间接制约关系

设置信号量初值为0，如果进程A先执行到L1，执行P操作后信号量小于0，A等待，直到进程B执行到L2执行V操作后信号量为0唤醒A继续执行。

如果进程B先执行到L2(信号量+1)则进程A无需等待，直接就可以执行完。这样就实现了通过信号量控制进程的同步

3.3 核心API及实现步骤

  1. 获取共享内存key值 ==> ftok
  2. 获取共享内存ID号 ==> shmget
  3. 共享内存映射 ==> shmat
  4. 获取信号量key值 ==> ftok
  5. 获取信号量ID ==> semget
  6. 初始化信号量的值 ==> semctl
  7. 信号量的P/V操作

1）申请key值。

key = ftok(".",10);

2）根据key值申请信号量ID号。

//函数原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

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

key： 信号量的key值

nsems: 信号量元素的个数。例如： 时间+空间 -> 2

semflg: IPC_CREAT|0666 -> 不存在则创建

返回值：

        成功： 信号量ID

        失败： -1

3）控制/设置 信号量值参数。

//函数原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

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

semid：信号量ID

semnum：需要操作的成员的下标 时间:0 空间:1

cmd:

        SETVAL      -> 用于设置信号量的起始值

        IPC_RMID     -> 删除信号量的ID

... : 空间/数据的起始值

返回值：

        成功：0

        失败：-1

例如： 想设置空间的起始值为1，数据的起始值为0
semctl(semid,0,SETVAL,1);
semctl(semid,1,SETVAL,0);

4）如何实现信号量的P/V操作？ （P操作： 1->0 V操作： 0->1）

//函数原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

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

semid: 信号量ID号

sops：进行P/V操作结构体

nsops: 信号量操作结构体的个数 -> 1

返回值：

        成功：0

        失败：-1

//sops：进行P/V操作结构体
struct sembuf
{
    unsigned short sem_num;   //需要操作的成员的下标  时间:0  空间:1
    short          sem_op;    //P操作/V操作           P： -1  V: 1
    short          sem_flg;   //普通属性，填0.
}

 

上面是有关进程通信中 System V IPC 的相关介绍，下篇博客会给出一些示例代码！

如果喜欢请不吝给予三连支持！

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