Linux systemV消息队列和信号量详解

目录

• 一、消息队列
• 1、实现原理
• 2、系统调用接口
• （一）创建获取一个消息队列
• （二）控制消息队列
• （三）发送消息
• （四）在消息队列中获取数据块
• 二、信号量
• 1、原理
• 2、系统调用接口
• （一）创建获取一个信号量
• （二）控制信号量
• （三）PV操作
• 三、systemV IPC方法的比较
• 1、描述IPC资源的结构体
• 2、操作系统对IPC资源进行管理
• 总结

一、消息队列

1、实现原理

操作系统在内核建立一个队列，通信的两个进程AB以数据块的形式将需要发送的数据pushback到队列中，数据块是一个结构体，其中有字段标识该数据块是谁发送的，所以我们只要让不同的进程看到同一个队列就可以了

2、系统调用接口

（一）创建获取一个消息队列

msgget函数的主要功能是创建一个www.devze.com新的消息队列或者获取一个已经存在的消息队列的标识符

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
int msgget(key_t key, int msgflg);

返回值：成功返回一个msgid，失败返回-1

• key：ftok函数的返回值
• msgflg：标识符

函数	msgflg	作用	示例
msgget	IPC_CREAT	如果指定键对应的消息队列不存在，则创建一个新的消息队列；若已存在，则直接返回该消息队列的标识符	msgget(key, IPC_CREAT | 0666)
msgget	IPC_EXCL	通常与 IPC_CREAT 一起使用，若同时设置这两个标志，当消息队列已经存在时，msgget 调用会失败并返回 -1，errno 会被设置为 EEXIST	msgget(key, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666)
msgget	0600	消息队列的所有者具有读写权限，所属组和其他用户没有任何权限	msgget(key, 0600)
msgget	0660	消息队列的所有者和所属组具有读写权限，其他用户没有权限	msgget(key, 0660)
msgget	0666	消息队列的所有者、所属组和其他用户都具有读写权限	msgget(key, 0666)

（二）控制消息队列

msgctl用于控制消息队列的系统调用函数，通常用于对消息队列执行各种管理操作，如获取消息队列状态、设置消息队列属性以及删除消息队列等

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
int msgctl(int msgid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

返回值：返回0表示操作成功，返回-1表示操作失败

• msgid：消息队列标识符，msgget函数返回值
• cmd：msgctl函数的cmd参数常用命令如下：

命令	说明
IPC_STAT	获取消息队列的状态信息，将信息存储在buf指向的msqid_ds结构中。这些信息包括消息队列的权限、所有者信息、消息队列的大小、当前消息数量等
IPC_SET	根据buf指向的msqid_ds结构中的值，设置消息队列的属性。可以设置的属性包括消息队列的权限、队列的最大字节数等
IPC_RMID	删除指定的消息队列。调用该命令后，消息队列将被立即删除，所有排队的消息都会被丢弃，并且与该消息队列相关的资源也会被释放
MSG_INFO	获取与消息队列相关的系统资源使用信息，例如当前系统中消息队列的总数、系统允许的最大消息队列数等
MSG_STAT	该命令与IPC_STAT类似，但它返回的是一个指向struct msg_info结构的指针，该结构包含了更多关于消息队列的统计信息，如发送和接收消息的字节数等

• buf：一个指向msgid_ds结构体的指针，用于存储或提供消息队列的相关信息，msqid_ds结构包含了消息队列的各种属性，如队列的权限、所有者信息、消息队列的大小等

（三）发送消息

msgsnd用于向消息队列发送消息的系统调用函数，它允许进程将一个消息添加到指定的消息队列中

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
int msgsnd(int msgid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);

返回值：成功返回0，失败返回-1

• msgid：消息队列标识符，msgget函数返回值
• msgp：指向要发送的消息结构体的指针，该结构体的第一个成员必须是 long 类型，用于指定消息的类型，后续可以包含消息的数据部分
• msgsz：消息数据部分的长度，即msgp所指向结构体中除第一个long类型成员之外的数据长度
• msgflg：该位置为0就是不设置

函数	msgflg	作用	示例
msgsnd	IPC_NOWAIT	非阻塞发送消息，当消息队列已满，无法立即发送消息时，如果设置了该标志，msgsnd 函数会立即返回 -1，errno 被设置为 EAGAIN；若未设置该标志，msgsnd 函数会阻塞，直到消息队列有空间可以发送消息	msgsnd(msgid, &msgbuf, sizeof(msgbuf.mtext), IPC_NOWAIT)

（四）在消息队列中获取数据块

msgrcv用于从消息队列接收消息的系统调用函数，它允许进程从指定的消息队列中获取消息

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
ssize_t msgrcv(int msgid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);

返回值：成功返回实际收到的消息数据部分的字节数，不包括最前面的long

前两个参数与前面相同

• msgsz：接收消息时用于存储消息数据部分的缓冲区的最大长度
• msgtyp：如果等于0，那该函数只接收消息队列中的第一条消息，如果大于0，接收消息队列中消息类型为msgtyp的第一条消息，如果小于0，接收消息队列中消息类型小于等于msgtyp绝对值的最小类型的第一条消息
• msgflg：该位置为0就是不设置

函数	msgflg	作用	示例
msgrcv	IPC_NOWAIT	当消息队列中没有符合要求的消息时，如果设置了该标志，msgrcv 函数会立即返回 -1，errno 被设置为 ENOMSG；若未设置该标志，msgrcv 函数会阻塞，直到有符合要求的消息进入消息队列	msgrcv(msgid, &msgbuf, sizeof(msgbuf.mtext), msgtype, IPC_NOWAIT)
msgrcv	MSG_NOERROR	如果接收到的消息长度超过了指定的缓冲区大小，若设置了该标志，消息会被截断为缓冲区大小，多余部分会被丢弃，msgrcv 函数正常返回；若未设置该标志，msgrcv 函数会返回 -1，errno 被设置为 E2BIG	msgrcv(msgid, &msgbuf, sizeof(msgbuf.mtext), msgtype, MSG_NOERROR)

二、信号量

1、原理

信号量是一种用于实现进程间同步与互斥的机制，信号量本质上是一个整数变量，用于控制对共享资源的访问，它可以看作是一种特殊的计数器，其值表示当前可用的共享资源数量，信号量的值可以被多个进程或线程读取和修改，通过对信号量的操作，进程或线程可以协调对共享资源的访问

信号量的工作基于两个基本操作：P操作（wait操作）和V操作（signal操作）

• P操作：当一个进程或线程需要访问共享资源时，它会执行 P 操作。P 操作会将信号量的值减 1，如果减 1 后信号量的值大于等于 0，表示当前有可用的资源，进程或线程可以继续访问；如果减 1 后信号量的值小于 0，表示没有可用的资源，进程或线程会被阻塞，直到有其他进程或线编程客栈程释放资源
• V 操作：当一个进程或线程使用完共享资源后，它会执行 V 操作，V 操作会将信号量的值加 1，如果加 1 后信号量的值小于等于 0，表示有其他进程或线程正在等待该资源，此时会唤醒一个等待的进程或线程

2、系统调用接口

（一）创建获取一个信号量

semget是用于创建或获取信号量集的系统调用函数

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sy编程客栈s/sem.h>

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

返回值：成功返回信号量标识符semid，失败返回-1

• nsems：表示要创建或获取的信号量集中信号量的数量，如果是创建新的信号量集则必须大于 0，如果是获取已有的信号量集则可以为0
• semflg：标志位，用于指定创建或获取信号量集的方式和权限

（二）控制信号量

semctl是用于控制信号量集的系统调用函数，它可以对信号量集进行多种操作，如初始化信号量的值、获取信号量的状态、删除信号量集等

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

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

返回值：取决于cmd的当前值，对于 GETVAL 命令，返回指定信号量的当前值，对于 IPC_STAT、IPC_SET 和 IPC_RMID 等命令，返回 0 表示成功

• semid：信号量标识符，semget函数返回
• semnum：信号量集中信号量的编号，编号从 0 开始，如果 cmd 操作不需要针对特定的信号量（如删除整个信号量集），则可以忽略该参数，通常将其设为 0
• cmd：要执行的命令，指定了对信号量集或特定信号量的操作类型

（三）PV操作

semop用于对信号量集执行操作的系统调用函数，它允许进程对一个或多个信号量进行原子性的 P和 V操作，从而实现进程间的同步与互斥

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

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

返回值：成功返回0，失败返回-1

• sops：指向struct sembuf结构体数组的指针，该数组包含了要对信号量集执行的操作序列
• nsops：sops数组中元素的数量，即要执行的操作序列的长度

三、systemV IPC方法的比较

1、描述IPC资源的结构体

描述共享内存IPC资源结构体：

struct shmid_kernel /* private to the kernel */
{	
	struct kern_ipc_perm	shm_perm;
	struct file *		    shm_file;
	int						id;
	unsigned long			shm_nattch;
	unsigned long			shm_segsz;
	time_t					shm_atim;
	time_t					shm_dtim;
	time_t					shm_ctim;
	pid_t					shm_cprid;
	pid_t					shm_lprid;
	struct user_struct		*mlock_user;
};

描述消息队列IPC资源结构体：

struct msg_queue {
	struct kern_ipc_perm q_perm;
	time_t 				 q_stime;			/* last msgsnd time */
	time_t 				 q_rtime;			/* last msgrcv time */
	time_t				 q_ctime;			/* last change time */
	unsigned long 		 q_cbytes;			/* current number of bytes on queue */
	unsigned long		 q_qnum;			/* number of messages in queue */
	unsigned long		 q_qbytes;			/* max number of bytes on queue */
	pid_t				 q_lspid;			/* pid of last msgsnd */
	pid_t				 q_lrpid;			/* last receive pid */

	struct list_head 	 q_messages;
	struct list_head	 q_receivers;
	struct list_head	 q_senders;
};

描述信号量IPC资源结构体：

struct sem_array {
	struct kern_ipc_perm	sem_perm;			/* permissions .. see ipc.h */
	time_t					sem_otime;			/* last semop time */
	time_t					sem_ctime;			/* last change time */
	struct sem				*sem_base;			/* ptr to first semaphore in array */
	struct sem_queue		*sem_pending;		/* pending operations to be processed */
	struct sem_queue		**sem_pending_last; /* last pending operation */
	struct sem_undo			*undo;				/* undo requests on this array */
	unsigned long			sem_nsems;			/* no. of semaphores in array */
};

他们有一个同样的特点就是第一个参数都是struct kern_ipc_perm类型的

struct kern_ipc_perm
{
	spinlock_t		lock;
	int				deleted;
	key_t			key;
	uid_t			uid;
	gid_t			gid;
	uid_t			cuid;
	gid_t			cgid;
	mode_t			mode; 
	unsigned long	seq;
	void			*security;
};

2、操作系统对IPC资源进行管理

所有的IPC资源都有一个struct kern_ipc_perm结构，所以操作系统通过数组将这些struct kern_ipc_perm结构组织起来

ipc_ids是 linux 内核中用于管理IPC资源的核心数据结构

struct ipc_ids {
    int             in_use;//记录当前系统中正在使用的IPC资源的数量
    int             max_id;//表示系统中允许的最大IPC标识符值
    unsigned short  seq;//是一个序列号，用于生成唯一的IPC标识符
    unsigned short  seq_max;//编程客栈是序列号的最大值
    struct          semaphore sem;//这是一个信号量，用于对编程客栈IPC资源的并发访问进行同步控制    
    struct          ipc_id_ary nullentry;//一个空的ipc_id_ary结构
    struct          ipc_id_ary* entries;//指向ipc_id_ary结构体的指针
};

struct ipc_id_ary {
    int    size;
    struct kern_ipc_perm *p[0];
};

这里的柔性数组p的作用就是维护当前操作系统中所有IPC资源，我们通过强制类型转换来通过这个数组里存的struct ipc_id_ary*找到具体的IPC对象，因为kern_ipc_perm是这三个结构体中的第一个成员，我们只要知道了一个kern_ipc_perm的地址，就相当于知道了某个具体IPC对象的起始地址，然后通过强制类型转换就可以访问到该IPC对象中的所有成员属性，这样就实现了对一个具体IPC对象的访问，如((struct shmid_kernel*)p[0])->q_stime，在kern_ipc_perm中有字段来标识该kern_ipc_perm是属于哪种IPC资源，操作系统就知道要将其强制转化成什么类型了，我们在用户层面上使用的：shmid、msqid、semid在内核上看就是p数组的下标

ipc_id_arry属于操作系统，不属于任何进程，数组下标是线性递增的，但不会因为IPC资源的释放而改变它的递增属性，即当前操作系统中最后一个IPC资源的下标是100，释放掉这个IPC资源，下一次再创建IPC资源的时候它的下标是101，而不是100，当递增到一定值的时候，会回到0

总结

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持编程客栈(www.devze.com)。