【Linux】了解消息队列 system V信号量 IPC原理

🌻个人主页：路飞雪吖~

🌠专栏：Linux

一、了解消息队列

✨消息队列函数

🍔ftok() --- 系统调用设置key

🍔 msgget()

🍔msgctl()

🍔msgsnd()

✨消息队列的管理指令

二、了解system V信号量

✨信号量函数

🍔semget() --- 获取信号量

🍔semctl

🍔semop --- 对指定信号量进行特定操作

✨信号量的管理指令

✨并发编程

三、理解内核管理IPC资源的方式，了解C实现多态

🌟System V是如何实现IPC的？和管道为什么不同呢？

✨应用角度：看IPC属性

✨内核角度：看IPC结构

一、了解消息队列

system V消息队列是内核提供的一种进程间通信的方式。

🌟原理：

操作系统内部提供一个队列queue，操作系统里面的数据和相关的数据结构，是可以被所有进程共享的，两个进程【进程A，进程B】，操作系统给这两个将要通信的进程提供一个队列【在操作系统维护的队列】和数据块【struct data】，用户上层定义一个struct data的对象，进程A 想发给进程B，把 struct data的对象通过系统调用，把这个对象放入到操作系统的队列当中，这个队列进程A和进程B都能看到，进程A向这个queue里放节点，进程B就可以从queue里面拿节点 ---- 消息队列。进程B也可以向进程A发送消息【双向通信】，进程B也可以把自己对应的数据节点也链入这个公共的队列当中，进程双方就可以各自的去拿对方的队列节点了。

🪄消息队列的本质：一个进程向另一个进程发送【双向通信】有类型数据块的方法。

✨消息队列函数

🍔ftok() --- 系统调用设置key

与共享内存类似。

• IPC_CREAT：若单独使用，如果消息队列不存在，就创建；存在就获取它，并返回 --- 保证调用进程能拿到共享内存。

• IPC_EXCL：单独使用无意义；

• IPC_CREAT | IPC_EXCL ：若消息队列不存在，就创建它；若存在，出错返回 --- 只要成功，一定是新的消息队列，不拿老的消息队列。

• key_t key ：系统调用接口的参数；

🍔 msgget()

🍔msgctl()

🍔msgsnd()

✨消息队列的管理指令

• ipcs -q ：查看消息队列的属性

• ipcrm -m msqmid ：删除指定的消息队列

二、了解system V信号量

✨信号量函数

🍔semget() --- 获取信号量

🍔semctl

🍔semop --- 对指定信号量进行特定操作

✨信号量的管理指令

• ipcs -s：查看信号的属性

• ipcrm -s semid ：删除指定的信号

✨并发编程

• 多个执行流(进程),能看到的同⼀份公共资源：共享资源。

• 被保护起来的资源叫做临界资源。

• 保护的方式常见：互斥与同步。

• 任何时刻，只允许⼀个执行流访问资源，叫做互斥。

• 多个执行流，访问临界资源的时候，具有⼀定的顺序性，叫做同步。

• 系统中某些资源⼀次只允许⼀个进程使⽤，称这样的资源为临界资源或互斥资源。

• 在进程中涉及到互斥资源的程序段叫临界区。你写的代码=访问临界资源的代码(临界区)+不访问临界资源的代码(非临界区)。

• 所谓的对共享资源进行保护，本质是对访问共享资源的代码进行保护。

✨信号量

🌠

• 信号量！= 信号，这两个没有任何关系。

• 信号量特性：IPC资源必须删除，否则不会自动清除，除非重启，所以system V IPC资源的生命周期随内核。

• 理解：信号量是一个计数器；

• 作用：保护临界区；

• 本质：信号量本质是对资源的预定机制；

• 操作：

1> 申请资源，计数器--，P操作。

2> 释放资源，计数器++，V操作。

• 几十个进程把共享内存挂接到自己的地址空间，所有的进程通过某种方式，让不同的进程访问共享内存，不同的子区域，即不同的进程，访问共享资源，具有一定的并发性！

当过量进程，进入临界资源，规定定义一个计数器【int count = 16】，当有一个进程进入共享资源，【if ( count > 0) count--; else wait;】若计数器大于零，计数器--，否则进行等待。这样子就可以保证进入到公共资源的进程一定是可以是多个，但可以保证上限是16个。即在共享资源内部，只要进程进来了，就能保证内部资源划分是合理的，而且不会出现冲突。

• 资源的整体和不是整体使用是一样的，资源的整体使用，就相当于【count = 1 互斥】只允许一个进程进来。

• 申请计数器成功了，就等同于预订了共享资源的某一个资源【计数器不仅是计数，也是对资源的预订】。

• 对资源进行预订机制的计数器 --- 信号量【信号灯】。

• 只有两态的计数器【资源整体使用】--- 二元信号量【1 or 0 锁】

🍧🦋计数器【int count】，能在多进程之间被看到，被修改，被访问吗？不能！！【两个毫不相干的进程，不可能看到同一个count；父子进程能看到全局的count，但是看到的count是一个假象，当有一方发生改变的时候，就会发生写时拷贝，即父进程count--，子进程却没有--，所以父子进程用全局变量来维护全局资源是做不到的】，所以信号量这个计数器，必须想办法解决这个问题。

🍧🦋假设：多个进程能看到同一个计数器了 && 进程访问资源都得先申请计数器，那么计数器就反而变成了公共资源了，计数器怎么保证自己得安全呢？【if(count > 0) count--; else wait;】P操作和【count++】V操作要么不访问，要么访问没人中断 --- 原子性。

🍧🦋 信号量必须解决： 1. 多进程信号量是个计数器，必须得想办法让不同得进程先得看到同一个信号量。2. 信号量必须保证原子性++和-- 。

🍧🦋 信号量为什么被归类到系统的IPC？原因是让不同的进程进行通信，得先让不同得进程看到同一份资源，而信号量这个计数器要让多进程看见，所以只要把信号量归结到系统IPC里面，信号量这个计数器就可以保证不同的进程看到同一个信号量了。

是因为它本质上提供了一种协调多个进程/线程对共享资源的访问的方式。尽管信号量本身不直接传输数据，但它解决了进程间或线程间的同步与互斥问题，这是 IPC 的核心功能之一。