【Linux】 IPC 进程间通信（三）（消息队列 & 信号量）

一、消息队列 💌

1. 了解

🔥 消息队列（Message Queue） 是一种进程间通信（IPC）机制，它允许不同进程或线程之间通过发送和接收消息来交换数据。

🔥 消息队列提供了一个先入先出（FIFO）结构，消息被放入队列后，接收者按顺序取出。消息队列广泛用于分布式系统、并发程序设计以及需要可靠异步通信的场景。

• 消息队列的本质：一个进程向另外一个进程发送一块数据的方法
• 每个数据块都被认为是有一个类型，接收者进程接收的数据块可以有不同的类型值

消息队列 VS 管道：消息队列基于消息，而管道则基于字节流

2. 消息队列函数

• msgget：获取消息队列

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

int msgget(key_t key, int msgflag);

参数：

• key_t key: 消息队列的标识符（键值），用于区分不同的消息队列。可以使用 ftok 函数生成一个唯一的键值。如果一个消息队列已经存在，msgget 会返回该队列的标识符；如果该队列不存在，则会创建一个新的消息队列。
• int msgflg: 控制标志，指示消息队列的操作方式。它可以是以下标志的组合：
  • IPC_CREAT: 如果消息队列不存在，则创建一个新的消息队列。
  • IPC_EXCL: 如果消息队列已经存在，则返回错误。
  • 权限位: 类似于文件的权限控制，使用类似 S_IRUSR、S_IWUSR 的权限位来设置对消息队列的访问权限。

返回值

• 成功时，msgget 返回一个非负整数，该整数是消息队列的标识符。失败时，返回 -1
• msgctl：删除消息队列

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

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

参数

1. msqid
   • 这是消息队列的标识符，是由 msgget() 函数返回的消息队列 ID
   • 表示要操作的目标消息队列
   • 在消息队列操作中，msqid 必须有效，即指向一个存在的消息队列
2. cmd
   • cmd 参数指定了 msgctl 要执行的操作类型。它有以下几种常用的值：
     • IPC_STAT：获取指定消息队列的当前状态和属性。
     • IPC_SET：修改指定消息队列的属性（如权限、队列容量等）。
     • IPC_RNID：删除指定的消息队列。

   这些命令定义了对消息队列的不同操作。

3. buf
   • 这是一个指向 msqid_ds 结构体的指针，用于存储消息队列的状态或提供修改信息。
   • 对于 IPC_STAT 命令，用于接收当前消息队列的状态信息。
   • 对于 IPC_SET 命令，包含要设置的消息队列新属性信息。
   • 对于 IPC_RNID 命令，可以传递 NULL，因为删除操作不需要额外的数据

msqid_ds 结构体定义如下：

struct msqid_ds {
    struct ipc_perm msg_perm;    // 消息队列的权限
    size_t msg_qnum;             // 队列中的消息数量
    size_t msg_qbytes;           // 队列的最大字节数
    pid_t msg_lspid;             // 最后发送消息的进程 ID
    pid_t msg_lrpid;             // 最后接收消息的进程 ID
    time_t msg_stime;            // 最后一次发送消息的时间
    time_t msg_rtime;            // 最后一次接收消息的时间
    time_t msg_ctime;            // 消息队列的最后修改时间
};

• 。 msgsnd：发送消息，msgrcv： 接收消息

msgsnd 函数分析：

• msqid
  • 消息队列标识符，指定要发送消息的目标消息队列
• msgp
  • 一个指向消息结构的指针，包含了要发送的消息数据。
  • 消息结构应该是一个 struct，并且必须包含一个 long 类型的 mtype 字段，该字段用于表示消息的类型（消息队列通常会按消息类型排序）。
• msgsz
  • 消息的大小（字节数），不包括 mtype 字段。实际消息的大小应小于或等于消息队列的最大字节数限制。
• msgflg
  • 标志位，用于指定消息发送的特性。常用的标志有：
    • IPC_NOWAIT：如果队列已满，消息不会阻塞调用，而是直接返回失败（设置 errno 为 EAGAIN）。
    • MSG_NOERROR：如果消息超出了队列的剩余空间，系统会自动截断消息，确保消息能够成功放入队列。

msgrcv 函数分析：

• msqid
  • 消息队列的标识符，指定要接收消息的目标队列
• msgp
  • 一个指向消息结构的指针，用于存储接收到的消息
  • 该结构必须至少包含一个 long 类型的 mtype 字段，接收到的消息会被复制到这个结构中。
• msgsz
  • 接收的最大字节数（不包括 mtype 字段）系统会在该大小限制内复制消息。如果消息的内容超过该大小，msgrcv 会截断消息。
• msgtyp
  • 消息类型，用于指定从队列中接收哪一类的消息
  • 如果 msgtyp 是 0，则接收队列中最先到达的消息
  • 如果 msgtyp 是大于 0 的整数，则接收与该类型匹配的第一个消息
  • 如果 msgtyp 是负数，则接收小于或等于该类型的消息（按照优先级顺序）
• msgflg
  • 标志位，用于指定消息接收的特性。常见的标志有：
    • IPC_NOWAIT：如果没有符合条件的消息，msgrcv 会立即返回失败（并设置 errno 为 ENOMSG），而不是阻塞。
    • MSG_NOERROR：如果消息超出了 msgsz 的大小，系统会自动截断消息。
• ipcs -q：查看消息队列的指令
• ipcrm -q + id：删除消息队列指令

3. 案例

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

const std::string pathName = "/home/island/code";
const int pro_id = 0600;

struct mymsgbuf{
    long mtype;
    char mtext[108];
};

int main()
{
    // 1. 创建消息队列
    key_t key = ftok(pathName.c_str(), pro_id);
    int msqid = msgget(key, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0600);
    if(msqid == -1){
        std::cout << "msgget error" << std::endl;
        return 1;
    }
    else std::cout << "msgget success, id: " << msqid << std::endl;

    // 2. 发送消息
    struct mymsgbuf buf; // 创建系统提供的 struct msgbuf 类型数据块
    buf.mtype = 1;
    strncpy(buf.mtext, "IsLand1314 Hello Everyone", sizeof(buf.mtext) - 1);
    buf.mtext[sizeof(buf.mtext) - 1] = '\0'; // 确保空字符串结尾

    int n = msgsnd(msqid, &buf, sizeof(buf.mtext), 0);
    if(n == -1) {
        std::cout <<"msgsnd error" << std::endl;
        return 2;
    }
    else std::cout <<"msgsnd success, 消息类型为：" << buf.mtype << std::endl;

    // 3. 接收消息
    struct mymsgbuf info;
    size_t sz = msgrcv(msqid, &info, sizeof(info), 1, 0);
    if(sz == -1){
        std::cout << "msgrcv error" <<std::endl;
    }
    else std::cout << "msgrcv success: " << info.mtext << ", 消息类型为: " << info.mtype << std::endl;

    // 4. 销毁消息队列
    int ret = msgctl(msqid, IPC_RMID, nullptr);
    if(ret == -1) {
        std::cout << "msgget error" << std::endl;
        return 4;
    }
    else std::cout << "msgget success" << std::endl;

    return 0;
}

二、信号量 🦌

前提知识：

• 共享资源：可以被多个进程访问的资源
• 临界资源：在系统中被多个进程共享，但在任一时刻只允许一个进程使用的资源。将共享资源保护起来就是临界资源，例如通过互斥访问的方式保护共享资源，其就变成了临界资源
• 临界区/非临界区：代码中有用于访问资源的代码，这些代码就叫做临界区；不访问资源的代码就叫做共享区

💦 信号量（Semaphore） 是一种同步机制，用于控制多个进程或线程对共享资源的访问。它主要用于解决进程间的同步与互斥问题，防止资源冲突和数据竞争。信号量是一个整数，用来表示可用资源的数量，操作系统通过它来协调并发执行的进程

由于信号量本质是一个对资源进行预订的计数器，因此必须解决下面两个问题：

1. 信号量必须能被多个进程看到 。
2. 信号量的 - - 与 ++ 操作（PV操作）必须具有原子性

💢 原子性：原子性是指一个操作是不可中断的，即该操作要么全部执行成功，要么全部执行失败，不存在执行到中间某个状态的情况​

1. 信号量的种类

1. 计数信号量（Counting Semaphore）：计数信号量的值可以为任何非负整数，表示资源的数量。当资源可用时，信号量的值增加；当资源被占用时，信号量的值减少。
   • P操作（Proberen）：进程申请资源，信号量值减1，如果值为负，进程会被阻塞。
   • V操作（Verhogen）：进程释放资源，信号量值加1，若有阻塞进程，唤醒其中一个。
2. 二值信号量（Binary Semaphore）：二值信号量的值只能是0或1，通常用于互斥锁（mutex）。它可以确保在任意时刻只有一个进程能访问共享资源，防止多个进程同时执行关键区域代码。

访问临界资源的步骤：1.申请信号量 2.访问临界资源 3.释放信号量

• 申请信号量的本质就是对临界资源的预定

信号量和共享内存、消息队列一样，需要实现被不同的进程访问，所以信号量本身也是一个共享资源

2. 信号量的工作原理

• P操作（等待操作）：信号量的值减1，如果信号量的值为负，表示没有足够的资源，调用该操作的进程会被阻塞，直到信号量的值大于等于0。
• V操作（释放操作）：信号量的值加1，如果有进程因为信号量值为负而被阻塞，V操作会唤醒一个阻塞的进程。

举个例子 💫

• 假设有一个计数信号量 S，初始值为 5，表示有5个资源可以被并发访问。若一个进程执行P操作，S减1，变成4，表示该进程占用了一个资源。当该进程释放资源时，执行V操作，S加1，变回5

3. 信号量操作

由于信号量也是遵循System V标准的，所以它的常用方法和前面的类似。信号量主要是用于同步和互斥的。

保护的常见方式：

• 互斥：任何时刻，只允许一个执行流（进程）访问资源
• 同步：多个执行流，访问临界资源的时候，具有一定的顺序性

因此，我们所写的代码 = 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） 所谓的对共享资源的保护，本质是对访问共享资源的代码进行保护

（1）创建 / 获取信号量

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

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

参数：

1. key：是一个键值，用于唯一标识信号量集
2. nsems：指定信号量集中信号量的数量，通常这个值至少为1
3. semflg：是一组标志位，用于指定信号量集的属性

常见标志位：

• IPC_CREAT：如果信号量集存在则获取并返回；如果不存在则创建
• IPC_CREAT | IPC_EXCL：如果信号量集存在则报错；如果不存在则创建

返回值：成功返回非零的信号量标识符；失败返回 -1，并设置 errno 以指示错误原因

（2）删除信号量

#include <sys/sem.h>

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

参数：

• semid：是信号量集合的标识符，由 semget 函数返回
• semnum：信号量在信号量集合中的索引（从0开始）（如果要删除整个信号量集，则填0）
• cmd：指定要执行的控制命令

常见命令：IPC_RMID：删除信号量集合 返回值：成功返回0；失败返回-1并设置 errno

（3）操作信号量

#include <sys/sem.h>

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

参数说明

• semid：信号量集的标识符，通常通过 semget 函数获得。信号量集是一个由多个信号量组成的集合
• sops： 指向 struct sembuf 数组的指针，这个数组包含了要对信号量集合进行的操作
• nsops:： 表示要执行的操作数目（即 sops 数组的长度）

semop 操作的核心是 struct sembuf 结构体，它定义了每个操作的细节。该结构体的定义如下：

struct sembuf {
    unsigned short sem_num;   // 信号量的索引（信号量集合中的第几个信号量）
    short sem_op;             // 操作数，表示对信号量的操作
    short sem_flg;            // 操作标志，控制操作的行为
};

（4）信号量指令

• 查看信号量 ipcs -s

• 删除信号量 ipcrm -s semid

4. 信号量的应用

1. 互斥锁：二值信号量通常用于互斥，确保只有一个进程可以访问临界区，避免数据竞争。例如，多个进程需要访问共享文件时，可以使用信号量来保证每次只有一个进程能进行读写操作。
2. 生产者消费者问题：信号量可以用于协调生产者和消费者的关系，控制缓冲区的读写操作。生产者放入商品时减少空位信号量，消费者取出商品时减少产品信号量，从而保证生产与消费的同步。
3. 资源分配：在有限资源（如打印机、数据库连接等）情况下，信号量用来管理资源的分配，确保资源的公平使用。
4. 进程同步：信号量也可用于进程同步，确保多个进程按照特定的顺序执行。例如，进程A完成某项任务后，信号量允许进程B开始执行。

5. 注意事项

• 死锁：不当使用信号量（例如多个进程循环等待）可能导致死锁，进程永远无法继续执行。
• 忙等待：如果信号量操作不当，可能导致进程处于等待状态，而没有有效地释放CPU资源，造成系统性能下降。
• 顺序问题：多个进程同时等待或释放信号量时，可能出现执行顺序不符合预期的情况，因此需要在使用信号量时小心设计

三、思考 -- IPC

System V 是如何实现IPC的，和管道为什么不同呢？

🐸 用户角度

• 首先我们要知道操作系统是如何管理 IPC 的：先描述，再组织。
• IPC有哪些属性呢？

根据上面我们可以发现，它们内部都有一个 ipc_perm 的东西。我们可以推测一下，在 OS 层面，IPC 是同类资源。

我们也可以获取IPC对应的属性，案例如下：

🐸 内核角度

由于需要让 IPC 资源被所有进程看到，那么它一定是全局的。所以IPC资源在内核中一定是一个全局变量

• 我们发现在消息队列、信号量与共享内存的源码中，结构体开头位置都是 kern_ipc_perm，这点和我们上面从用户层看到的是一样的。

此时，所有的IPC资源都可以直接被柔性数组直接指向

柔性数组（了解）

• 柔性数组的定义在 C 语言标准（特别是 C99 及以后版本）中引入
• 它允许结构体的最后一个成员声明为一个数组，但不指定数组的大小
• 结构体的大小由前面的成员决定，而柔性数组的大小则依赖于后续内存的分配

struct my_struct {
    int size;              // 普通成员
    char data[];           // 柔性数组成员（没有指定大小）
};

言归正传，例如：

• p[0] = (struct kern_ipc_perm) &(shmid_kernel)
• p[1] = (struct kern_ipc_perm) &(msg_queue)
• p[2] = (struct kern_ipc_perm) &(sem_array)
• …

那么不就可以使用柔性数组 (类型强转) ，管理所有的IPC资源了吗？数组下标就是之前的 xxid，即 xxget 的返回值！这也就是为什么之前我们见到的各种 IPC资源的 id 是连续的了。

所以，所有的 IPC 资源之所以能够区分 IPC 的唯一性，都是通过 key来进行的

注意：各类型的 IPC 资源之间的 key 也可能会冲突

• 那么此时怎么访问IPC资源的其它属性呢？

直接强转，(struct msg_queue*) p[1] ->其它属性

1. 那么一个指针，指向结构体的第一个元素，其实就是指向了整个结构体
2. 访问头部，直接访问
3. 访问其它属性，做强转，这种结构不就是C++中的多态吗？

这时，我们所看到的 kern_ipc_perm 就是 基类，与之相关的三个就是子类，继承了基类，此时就可以使用基类来管理所有的子类了，这是 C语言实现多态的另一种方式。

那具体是怎么识别是哪一种子类的呢？

• 实际在内核中，会定义各种的 ipc_ids，但是它们的 entries 指针都指向同一个 kern_ipc_perm 数组

四、小结

以上就是我对消息队列、信号量、IPC 的理解，那么我们的进程间通信（IPC） 就讲到这里啦，我们后面就开始进入进程信号的知识哩