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🌇前言
在 System V 通信标准中，还有一种通信方式：消息队列，以及一种实现互斥的工具：信号量；随着时代的发展，这些陈旧的标准都已经较少使用了，但作为 IPC 中的经典知识，我们可以对其做一个简单了解，扩展 IPC 的知识栈，尤其是 信号量，可以通过它，为以后多线程学习中 POSIX 信号量的学习做铺垫
🏙️正文
1、消息队列
1.1、什么是消息队列？
消息队列（Message Queuing）是一种比较特殊的通信方式，它不同于管道与共享内存那样借助一块空间进行数据读写，而是 在系统中创建了一个队列，这个队列的节点就是数据块，包含类型和信息
- 假设现在进程
A、B想要通过消息队列进行通信，首先创建一个消息队列 - 然后进程
A将自己想要发送给进程B的信息打包成数据块（其中包括发送方的信息），将数据块添加至消息队列队尾处 - 进程
B同样也可以向消息队列中添加数据块，同时也会从消息队列中捕获其他进程的数据块，解析后进行读取，这样就完成了通信
遍历消息队列时，存数据块 还是 取数据块 取决于 数据块中的类型 type
==注意：== 消息队列跟共享内存一样，是由操作系统创建的，其生命周期不随进程，因此在使用结束后需要删除
因为消息队列比陈旧且较少使用了，所以这里就不详细讲解原理，关于消息队列更详细的介绍可以看看这两篇文章：
1.2、消息队列的数据结构
同属于 System V 标准，消息队列也有属于自己的数据结构
注：msg 表示 消息队列
struct msqid_ds
{
struct ipc_perm msg_perm; /* Ownership and permissions */
time_t msg_stime; /* Time of last msgsnd(2) */
time_t msg_rtime; /* Time of last msgrcv(2) */
time_t msg_ctime; /* Time of last change */
unsigned long __msg_cbytes; /* Current number of bytes in queue (nonstandard) */
msgqnum_t msg_qnum; /* Current number of messages in queue */
msglen_t msg_qbytes; /* Maximum number of bytes allowed in queue */
pid_t msg_lspid; /* PID of last msgsnd(2) */
pid_t msg_lrpid; /* PID of last msgrcv(2) */
};
和 共享内存 一样，其中 struct ipc_perm 中存储了 消息队列的基本信息，具体包含内容如下：
struct ipc_perm
{
key_t __key; /* Key supplied to msgget(2) */
uid_t uid; /* Effective UID of owner */
gid_t gid; /* Effective GID of owner */
uid_t cuid; /* Effective UID of creator */
gid_t cgid; /* Effective GID of creator */
unsigned short mode; /* Permissions */
unsigned short __seq; /* Sequence number */
};
可以通过 man msgctl 查看函数使用手册，其中就包含了 消息队列 的数据结构信息
1.3、消息队列的相关接口
论标准的重要性，消息队列的大小接口风格与共享内存一致，都是出自 System V 标准
1.3.1、创建
使用 msgget 函数创建 消息队列
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
int msgget(key_t key, int msgflg);
关于 msgget 函数
| 组成部分 | 含义 |
|---|---|
返回值 int |
创建成功返回消息队列的 msqid，失败返回 -1 |
参数1 key_t key |
创建共享内存时的唯一 key 值，通过函数计算获取 |
参数2 int msgflg |
位图，可以设置消息队列的创建方式及创建权限 |
与 共享内存 的 shmget 可以说是十分相似了，关于 ftok 函数计算 key 值，这里就不再阐述，可以在这篇文章中学习 《Linux进程间通信【共享内存】》
简单使用函数 msgget 创建 消息队列，并使用 ipcs -q 指令查看资源情况
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
using namespace std;
int main()
{
//创建消息队列
int n = msgget(ftok("./", 668), IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
if(n == -1)
{
cerr << "msgget fail!" << endl;
exit(1);
}
return 0;
}
程序运行后，创建出了一个 msqid 为 0 的消息队列
因为此时并 没有使用消息队列进行通信，所以已使用字节 used-bytes 和 消息数 messages 都是 0
==注意：==
- 消息队列在创建时，也需要指定创建方式：
IPC_CREAT、IPC_EXCL、权限等信息 - 消息队列创建后，
msqid也是随机生成的，大概率每次都不一样 - 消息队列生命周期也是随操作系统的，并不会因进程的结束而释放
1.3.2、释放
消息队列也有两种释放方式：通过指令释放、通过函数释放
释放指令：ipcrm -q msqid 释放消息队列，其他 System V 通信资源也可以这样释放
ipcrm -m shmid释放共享内存ipcrm -s semid释放信号量集
释放函数：msgctl(msqid, IPC_RMID, NULL) 释放指定的消息队列，跟 shmctl 删除共享内存一样
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
关于 msgctl 函数
| 组成部分 | 含义 |
|---|---|
返回值 int |
成功返回 0，失败返回 -1 |
参数1 int msqid |
待控制的消息队列 id |
参数2 int cmd |
控制消息队列的具体动作，同样是位图 |
参数3 struct msqid_ds *buf |
用于获取或设置所控制消息队列的数据结构 |
简单回顾下参数2部分可传递参数：
IPC_RMID表示删除共享内存IPC_STAT用于获取或设置所控制共享内存的数据结构IPC_SET在进程有足够权限的前提下，将共享内存的当前关联值设置为buf数据结构中的值
同样的，消息队列 = 消息队列的内核数据结构（struct msqid_ds） + 真正开辟的空间
1.3.3、发送
利用消息队列发送信息，即 将信息打包成数据块，入队尾，所使用函数为 msgsnd
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
关于 msgsnd 函数
| 组成部分 | 含义 |
|---|---|
返回值 int |
成功返回 0，失败返回 -1 |
参数1 int msqid |
待发送数据块的消息队列 id |
参数2 const void *msgp |
待发送的数据块 |
参数3 size_t msgsz |
待发送数据块大小 |
参数4 int msgflg |
表示发送数据块的方式，一般默认为 0 |
参数2 表示待发送的数据块，这显然是一个结构体类型，需要自己定义，结构如下：
struct msgbuf
{
long mtype; /* message type, must be > 0 */
char mtext[1]; /* message data */
};
mtype 就是传说中数据块类型，据发送方而设定；mtex 是一个比较特殊的东西：柔性数组，其中存储待发送的 信息，因为是 柔性数组，所以可以根据 信息 的大小灵活调整数组的大小
关于 柔性数组 的详细介绍可以看看这篇文章 《C语言进阶——动态内存管理》
1.3.4、接收
消息发送后，总得接收吧，既然发送是往队尾中添加数据块，那么接收就是 从队头中取数据块，假设所取数据块为自己发送的，那么就不进行操作，其他情况则取出数据块，使用 msgrcv 函数接收信息
#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);
关于 msgrcv 函数
| 组成部分 | 含义 |
|---|---|
返回值 int |
成功返回实际从 mtext 数组中读取的字节数，失败返回 -1 |
参数1 int msqid |
待接收数据块的消息队列 id |
参数2 void *msgp |
接收到的数据块，是一个输出型参数 |
参数3 size_t msgsz |
要接收数据块的大小 |
参数4 long msgtyp |
要接收数据块的类型 |
参数5 int msgflg |
表示接收数据块的方式，一般默认为 0 |
同样的，接收的数据结构如下所示，也包含了 类型 和 柔性数组
struct msgbuf
{
long mtype; /* message type, must be > 0 */
char mtext[1]; /* message data */
};
1.4、消息队列小结
消息队列 的大部分接口都与 共享内存 近似，所以掌握 共享内存 后，即可快速上手 消息队列
但是如你所见，System V 版的 消息队列 使用起来比较麻烦，并且过于陈旧，现在已经较少使用了，所以我们不必对其进行深究，知道个大概就行了，如果实际中真遇到了，再查文档也不迟
2、信号量
2.1、什么是信号量？
信号量（semaphore）一种特殊的工具，主要用于实现 同步和互斥
信号量 又称 信号灯，是各大高校《操作系统》课程中老师提及的高频知识点，往往伴随着 P、V 操作出现，但大多数老师都只是提及了基本概念，并未对 信号量 的本质及使用场景作出详细讲解
在正式学习 信号量 相关知识前，需要先简单了解下 互斥相关四个概念，为后续 多线程中信号量的学习作铺垫（重点）
2.2、互斥相关概念
1、并发 是指系统中同时存在多个独立的活动单元
- 比如在多线程中，多个执行流可以同时执行代码，可能访问同一份共享资源
2、互斥 是指同一时刻只允许一个活动单元使用共享资源
- 即在任何一个时刻，都只允许一个执行流进行共享资源的访问（可以通过加锁实现）
3、临界资源 与 临界区，多执行流环境中的共享资源就是 临界资源，涉及 临界资源 操作的代码区间即 临界区
- 在多线程环境中，全局变量就是
临界资源，对全局变量的修改、访问代码属于临界区
4、原子性：只允许存在 成功 和 失败 两种状态
- 比如对变量的修改，要么修改成功，要么修改失败，不会存在修改一半被切走的状态
所以 互斥 是为了解决 临界资源 在多执行流环境中的并发访问问题，需要借助 互斥锁 或 信号量 等工具实现 原子操作，实现 互斥
关于互斥锁（mutex） 的相关知识在 多线程 中介绍，现在先来学习 信号量，搞清楚它是如何实现 互斥 的
2.3、信号量的感性理解
将整个程序看作现实世界，形色各异的人看作 执行流，电影院 等公共资源看作 临界区，而单场电影的电影票看作 临界资源，主角 信号量 就是电影院中单场电影余票的 计数器，即余票越多，计数器值越大，当有人买票时，计数器 -1，当有人看完电影时，计数器 +1
当电影票卖完时，计数器归零，其他想看电影的人也无法购票观看本场电影
下面这些情况应运而生：
- 当你购票成功后，计数器
-1，你必然可以去看这场电影，其他人也无法与你争夺，因为那个位置当电影放映之时就是属于你一个人的 - 如果你买票晚了，票已告罄，计数器为
0，你就无法购票观看这场电影，即使自己偷偷溜进去也不行，会被保安叉出去，这是规定 - 得益于计数器的控制，电影院在放映电影时，有效划分了电影票这个
临界资源的所属权限，从而保证了在电影放映时，绝对不会发生位置冲突、位置爆满、非法闯入等各种情况
信号量 的设计初衷也是如此，就是为了避免 因多执行流对临界资源的并发访问，而导致程序运行出现问题
因为电影院一次能容纳几十个人，所以可能不太好理解 互斥 这个概念，将场景特殊化，现在有一个 顶级VIP放映室，每天饮料零食随便吃，但 一次只允许一个人看电影，与普通电影院一样，这个 顶级VIP放映室 也有自己的售票系统，其本质同样是 计数器，但此时 计数器初始值为 1
所以：当一群人都想进这个顶级VIP放映室看电影时，必须等到 计数器 为 1 时，才能进行抢票，才有资格进去看电影，当然一次只能放一个人进去，同时计数器是否恢复 1，取决于上一个看电影的人是否出了放映室 -> 看电影结束 -> 计数器 +1
规定：只允许一个人看电影
透过现象看本质，在 顶级VIP看电影 不就是代码中 **多个执行流对同一个临界资源的互斥访问吗？**此时的 信号量 可以设为 1，确保 只允许一个执行流进行访问，这种 信号量 被称为 ==二元信号量==，常用来实现 互斥
综上所述，信号量本质上就是 计数器 count，所谓的 P 操作（申请）就是在对 count--，V 操作（归还）则是在对 count++
2.4、信号量的数据结构
下面来看看 信号量 的数据结构，通过 man semctl 进行查看
注：sem 表示 信号量
struct semid_ds
{
struct ipc_perm sem_perm; /* Ownership and permissions */
time_t sem_otime; /* Last semop time */
time_t sem_ctime; /* Last change time */
unsigned long sem_nsems; /* No. of semaphores in set */
};
System V 家族基本规矩，struct ipc_perm 中存储了 信号量的基本信息，具体包含内容如下：
struct ipc_perm
{
key_t __key; /* Key supplied to semget(2) */
uid_t uid; /* Effective UID of owner */
gid_t gid; /* Effective GID of owner */
uid_t cuid; /* Effective UID of creator */
gid_t cgid; /* Effective GID of creator */
unsigned short mode; /* Permissions */
unsigned short __seq; /* Sequence number */
};
显然，无论是 共享内存、消息队列、信号量，==它们的 ipc_perm 结构体中的内容都是一模一样的==，结构上的统一可以带来管理上的便利，具体原因可以接着往下看
2.5、信号量的相关接口
2.5.1、创建
信号量的申请比较特殊，一次可以申请多个信息量，官方称此为 信号量集，所使用函数为 semget
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
关于 semget 函数
| 组成部分 | 含义 |
|---|---|
返回值 int |
创建成功返回信号量集的 semid，失败返回 -1 |
参数1 key_t key |
创建信号量集时的唯一 key 值，通过函数 ftok 计算获取 |
参数2 int nsems |
待创建的信号量个数，这也正是 集 的来源 |
参数3 int semflg |
位图，可以设置消息队列的创建方式及创建权限 |
除了参数2，其他基本与另外俩兄弟一模一样，实际传递时，一般传 1，表示只创建一个 信号量
使用函数创建 信号量集，并通过指令 ipcs -s 查看创建的 信号量集 信息
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
using namespace std;
int main()
{
//创建一个信号量
int n = semget(ftok("./", 668), 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
if(n == -1)
{
cerr << "semget fail!" << endl;
exit(1);
}
return 0;
}
程序运行后，创建了一个 信号量集，nsems 为 1，表示在当前 信号量集 中只有一个 信号量
==注意：==
- 信号量集在创建时，也需要指定创建方式：
IPC_CREAT、IPC_EXCL、权限等信息 - 信号量集创建后，
semid也是随机生成的，大概率每次都不一样 - 信号量集生命周期也是随操作系统的，并不会因进程的结束而释放
2.5.2、释放
老生常谈的两种释放方式：指令释放、函数释放
指令释放：直接通过指令 ipcrm -s semid 释放信号量集
通过函数释放：semctl(semid, semnum, IPC_RMID)，信号量中的控制函数有一点不一样
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
关于 semctl 函数
| 组成部分 | 含义 |
|---|---|
返回值 int |
成功返回 0，失败返回 -1 |
参数1 int semid |
待控制的信号量集 id |
参数2 int semnum |
表示对信号量集中的第 semnum 个信号量作操作 |
参数3 int cmd |
控制信号量的具体动作，同样是位图 |
参数4 ... |
可变参数列表，不止可以获取信号量的数据结构，还可以获取其他信息 |
==注意：==
- 参数2 表示信号量集中的某个信号量编号，从
1开始编号 - 参数3 中可传递的动作与共享内存、消息队列一致
- 参数4 就像
printf和scanf中最后一个参数一样，可以灵活使用
2.5.3、操作
信号量的操纵比较ex，也比较麻烦，所以仅作了解即可
使用 semop 函数对 信号量 进行诸如 +1、-1 的基本操作
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
关于 semop 函数
| 组成部分 | 含义 |
|---|---|
返回值 int |
成功返回 0，失败返回 -1 |
参数1 int semid |
待操作的信号量集 id |
参数2 struct sembuf *sops |
一个比较特殊的参数，需要自己设计结构体 |
参数3 unsigned nsops |
可以简单理解为信号量编号 |
重点在于参数2，这是一个结构体，具体成员如下：
unsigned short sem_num; /* semaphore number */
short sem_op; /* semaphore operation */
short sem_flg; /* operation flags */
其中包含信号量编号、操作等信息，需要我们自己设计出一个结构体，然后传给 semop 函数使用
可以简单理解为：sem_op 就是要进行的操作，如果将 sem_op 设为 -1，表示信号量 -1（申请），同理 +1 表示信号量 +1（归还）
sem_flg 是设置动作，一般设为默认即可
当然这些函数我们不必深入去研究，知道个大概就行了
2.6、信号量小结
信号量 是实现 互斥 的其中一种方法，具体表现为：资源申请，计数器 -1，资源归还，计数器 +1，只有在计数器不为 0 的情况下，才能进行资源申请，可以设计 二元信号量 实现 互斥
System V 中的 信号量 操作比较麻烦，但 信号量 的思想还是值得一学的，等后面学习 多线程 时，也会使用 POSIX 中的 信号量 实现 互斥，相比之下，POSIX 版的信号量操作要简单得多，同时应用也更为广泛
因为 信号量 需要被多个独立进程看到，所以 信号量 本身也是 临界资源，不过它是 原子 的，所以可以用于 互斥
- 多个独立进程看到同一份资源，这就是
IPC的目标，所以 信号量 被划分至进程间通信中
3、深入理解 System V 通信方式
不难发现，共享内存、消息队列、信号量的数据结构基本一致，并且都有同一个成员 struct ipc_perm，所以实际对于 操作系统 来说，对 System V 中各种方式的描述管理只需要这样做：
- 将 共享内存、消息队列、信号量对象描述后，统一存入数组中
- 再进行指定对象创建时，只需要根据
ipc_id_arr[n]->__key进行比对，即可当前对象是否被创建！ - 因为
struct shmid_ds与struct ipc_perm shm_perm的地址一致（其他对象也一样），所以可以对当前位置的指针进行强转：((struct shmid_ds)ipc_id_arr[0])即可访问shmid_ds中的成员，这不就是多态中的虚表吗？
这样一来，操作系统可以只根据一个地址，灵活访问 两个结构体中的内容，比如 struct ipc_perm shm_perm 和 struct shmid_ds，并且操作系统还把多种不同的对象，描述融合入了一个 ipc_id_arr 指针数组中，真正做到了 高效管理
注：默认 ipc_id_arr[n] 访问的是 struct ipc_perm 中的成员
注：上述图示只是一个草图，目的是为了辅助理解原理，并非操作系统中真实样貌
操作系统在进行比较判断时，如何判断类型呢？
- 这就是操作系统设计的巧妙之处了，
ipc_id_arr没那么简单，它会存储对象的相应类型信息
通过下标（id） 访问对象，这与文件系统中的机制不谋而合，不过实现上略有差异，间接导致 System V 的管理系统被边缘化（历史选择了文件系统）
shmid、msqid 和 semid 都是 ipc_id_arr 的下标，为什么值很大呢？
- 在进行查找时，会将这些
id % 数组大小进行转换，确保不会发生越界，事实上，这个值与开机时间有关，开机越长，值越大，当然到了一定程度后，会重新轮回
将内核中的所有
ipc资源统一以数组的方式进行管理
- 假设想访问具体
ipc中的资源，可以通过ipc_id_arr[n]强转为对应类型指针，再通过->访问其中的其他资源以上方法就是 多态，通过父类指针，访问成员
🌆总结
以上就是本次关于 Linux 进程间通信【消息队列、信号量】的全部内容了，消息队列和信号量相对来说不怎么重要，因此本文主要以理论为主，并未涉及很多实操代码；本文中最重要的内容莫过于理解 互斥 相关概念与 信号量 实现互斥的原理，最后关于操作系统对 System V 通信相关资源的封装也算得上是精彩绝伦
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