穿越内核的迷雾：进程间通信，探索Linux消息队列与信号量的协奏曲

用户11379153

发布于 2025-11-05 16:38:30

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引言

在多进程操作系统中，进程间通信（IPC, Inter-Process Communication）是实现不同进程之间数据交换和协作的关键技术。Linux作为开源的类Unix操作系统，提供了多种机制来实现进程间的高效通信。本文将聚焦于其中两种重要的通信方式：消息队列和信号量，详细探讨它们的工作原理、应用场景，并通过具体代码示例帮助理解。

🏙️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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

信号量的操作比较麻烦，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

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