一、消息隊列

1、實現(xiàn)原理

操作系統(tǒng)在內(nèi)核建立一個隊列，通信的兩個進程AB以數(shù)據(jù)塊的形式將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)pushback到隊列中，數(shù)據(jù)塊是一個結(jié)構(gòu)體，其中有字段標識該數(shù)據(jù)塊是誰發(fā)送的，所以我們只要讓不同的進程看到同一個隊列就可以了

2、系統(tǒng)調(diào)用接口

（一）創(chuàng)建獲取一個消息隊列

msgget函數(shù)的主要功能是創(chuàng)建一個新的消息隊列或者獲取一個已經(jīng)存在的消息隊列的標識符

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

返回值：成功返回一個msgid，失敗返回-1

• key：ftok函數(shù)的返回值
• msgflg：標識符

（二）控制消息隊列

msgctl用于控制消息隊列的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，通常用于對消息隊列執(zhí)行各種管理操作，如獲取消息隊列狀態(tài)、設(shè)置消息隊列屬性以及刪除消息隊列等

#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表示操作失敗

• msgid：消息隊列標識符，msgget函數(shù)返回值
• cmd：msgctl函數(shù)的cmd參數(shù)常用命令如下：

• buf：一個指向msgid_ds結(jié)構(gòu)體的指針，用于存儲或提供消息隊列的相關(guān)信息，msqid_ds結(jié)構(gòu)包含了消息隊列的各種屬性，如隊列的權(quán)限、所有者信息、消息隊列的大小等

（三）發(fā)送消息

msgsnd用于向消息隊列發(fā)送消息的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，它允許進程將一個消息添加到指定的消息隊列中

#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，失敗返回-1

• msgid：消息隊列標識符，msgget函數(shù)返回值
• msgp：指向要發(fā)送的消息結(jié)構(gòu)體的指針，該結(jié)構(gòu)體的第一個成員必須是 long 類型，用于指定消息的類型，后續(xù)可以包含消息的數(shù)據(jù)部分
• msgsz：消息數(shù)據(jù)部分的長度，即msgp所指向結(jié)構(gòu)體中除第一個long類型成員之外的數(shù)據(jù)長度
• msgflg：該位置為0就是不設(shè)置

（四）在消息隊列中獲取數(shù)據(jù)塊

msgrcv用于從消息隊列接收消息的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，它允許進程從指定的消息隊列中獲取消息

#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：成功返回實際收到的消息數(shù)據(jù)部分的字節(jié)數(shù)，不包括最前面的long

前兩個參數(shù)與前面相同

• msgsz：接收消息時用于存儲消息數(shù)據(jù)部分的緩沖區(qū)的最大長度
• msgtyp：如果等于0，那該函數(shù)只接收消息隊列中的第一條消息，如果大于0，接收消息隊列中消息類型為msgtyp的第一條消息，如果小于0，接收消息隊列中消息類型小于等于msgtyp絕對值的最小類型的第一條消息
• msgflg：該位置為0就是不設(shè)置

二、信號量

1、原理

信號量是一種用于實現(xiàn)進程間同步與互斥的機制，信號量本質(zhì)上是一個整數(shù)變量，用于控制對共享資源的訪問，它可以看作是一種特殊的計數(shù)器，其值表示當(dāng)前可用的共享資源數(shù)量，信號量的值可以被多個進程或線程讀取和修改，通過對信號量的操作，進程或線程可以協(xié)調(diào)對共享資源的訪問

信號量的工作基于兩個基本操作：P操作（wait操作）和V操作（signal操作）

• P操作：當(dāng)一個進程或線程需要訪問共享資源時，它會執(zhí)行 P 操作。P 操作會將信號量的值減 1，如果減 1 后信號量的值大于等于 0，表示當(dāng)前有可用的資源，進程或線程可以繼續(xù)訪問；如果減 1 后信號量的值小于 0，表示沒有可用的資源，進程或線程會被阻塞，直到有其他進程或線程釋放資源
• V 操作：當(dāng)一個進程或線程使用完共享資源后，它會執(zhí)行 V 操作，V 操作會將信號量的值加 1，如果加 1 后信號量的值小于等于 0，表示有其他進程或線程正在等待該資源，此時會喚醒一個等待的進程或線程

2、系統(tǒng)調(diào)用接口

（一）創(chuàng)建獲取一個信號量

semget是用于創(chuàng)建或獲取信號量集的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)

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

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

返回值：成功返回信號量標識符semid，失敗返回-1

• nsems：表示要創(chuàng)建或獲取的信號量集中信號量的數(shù)量，如果是創(chuàng)建新的信號量集則必須大于 0，如果是獲取已有的信號量集則可以為0
• semflg：標志位，用于指定創(chuàng)建或獲取信號量集的方式和權(quán)限

（二）控制信號量

semctl是用于控制信號量集的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，它可以對信號量集進行多種操作，如初始化信號量的值、獲取信號量的狀態(tài)、刪除信號量集等

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

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

返回值：取決于cmd的當(dāng)前值，對于 GETVAL 命令，返回指定信號量的當(dāng)前值，對于 IPC_STAT、IPC_SET 和 IPC_RMID 等命令，返回 0 表示成功

• semid：信號量標識符，semget函數(shù)返回
• semnum：信號量集中信號量的編號，編號從 0 開始，如果 cmd 操作不需要針對特定的信號量（如刪除整個信號量集），則可以忽略該參數(shù)，通常將其設(shè)為 0
• cmd：要執(zhí)行的命令，指定了對信號量集或特定信號量的操作類型

（三）PV操作

semop用于對信號量集執(zhí)行操作的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，它允許進程對一個或多個信號量進行原子性的 P和 V操作，從而實現(xiàn)進程間的同步與互斥

#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，失敗返回-1

• sops：指向struct sembuf結(jié)構(gòu)體數(shù)組的指針，該數(shù)組包含了要對信號量集執(zhí)行的操作序列
• nsops：sops數(shù)組中元素的數(shù)量，即要執(zhí)行的操作序列的長度

三、systemV IPC方法的比較

1、描述IPC資源的結(jié)構(gòu)體

描述共享內(nèi)存IPC資源結(jié)構(gòu)體：

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;
};

描述消息隊列IPC資源結(jié)構(gòu)體：

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;
};

描述信號量IPC資源結(jié)構(gòu)體：

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 */
};

他們有一個同樣的特點就是第一個參數(shù)都是struct kern_ipc_perm類型的

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、操作系統(tǒng)對IPC資源進行管理

所有的IPC資源都有一個struct kern_ipc_perm結(jié)構(gòu)，所以操作系統(tǒng)通過數(shù)組將這些struct kern_ipc_perm結(jié)構(gòu)組織起來

ipc_ids是 Linux 內(nèi)核中用于管理IPC資源的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

struct ipc_ids {
    int             in_use;//記錄當(dāng)前系統(tǒng)中正在使用的IPC資源的數(shù)量
    int             max_id;//表示系統(tǒng)中允許的最大IPC標識符值
    unsigned short  seq;//是一個序列號，用于生成唯一的IPC標識符
    unsigned short  seq_max;//是序列號的最大值
    struct          semaphore sem;//這是一個信號量，用于對IPC資源的并發(fā)訪問進行同步控制    
    struct          ipc_id_ary nullentry;//一個空的ipc_id_ary結(jié)構(gòu)
    struct          ipc_id_ary* entries;//指向ipc_id_ary結(jié)構(gòu)體的指針
};

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

這里的柔性數(shù)組p的作用就是維護當(dāng)前操作系統(tǒng)中所有IPC資源，我們通過強制類型轉(zhuǎn)換來通過這個數(shù)組里存的struct ipc_id_ary*找到具體的IPC對象，因為kern_ipc_perm是這三個結(jié)構(gòu)體中的第一個成員，我們只要知道了一個kern_ipc_perm的地址，就相當(dāng)于知道了某個具體IPC對象的起始地址，然后通過強制類型轉(zhuǎn)換就可以訪問到該IPC對象中的所有成員屬性，這樣就實現(xiàn)了對一個具體IPC對象的訪問，如((struct shmid_kernel*)p[0])->q_stime，在kern_ipc_perm中有字段來標識該kern_ipc_perm是屬于哪種IPC資源，操作系統(tǒng)就知道要將其強制轉(zhuǎn)化成什么類型了，我們在用戶層面上使用的：shmid、msqid、semid在內(nèi)核上看就是p數(shù)組的下標

ipc_id_arry屬于操作系統(tǒng)，不屬于任何進程，數(shù)組下標是線性遞增的，但不會因為IPC資源的釋放而改變它的遞增屬性，即當(dāng)前操作系統(tǒng)中最后一個IPC資源的下標是100，釋放掉這個IPC資源，下一次再創(chuàng)建IPC資源的時候它的下標是101，而不是100，當(dāng)遞增到一定值的時候，會回到0

總結(jié)

以上為個人經(jīng)驗，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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