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你了解system V的ipc底层如何设计的吗？消息队列互相通信的原理是什么呢？是否经常将信号量和信号混淆呢？——问题详解

news 来源：原创 2024/9/22 16:23:11

前言：本节主要讲解消息队列，信号量的相关知识。 ——博主主要是以能够理解为目的进行讲解，所以对于接口的使用或者底层原理很少涉及。主要的讲解思路就是先讨论消息队列的原理，提一下接口。然后讲解ipc的设计——这个设计一些底层原理。最后就是会让友友们理解一下信号量的相关概念。

ps：本届内容设计共享内存，友友们务必学完共享内存后再来观看哦

消息队列的原理

消息队列的接口

msgget

msgctl

ipc在内核里面的设计

信号量

储备知识

理解信号量

信号量接口

信号量与进程间通信

消息队列的原理

本节讲述的消息队列是system V标准的。我们知道的是，我们的进程，因为是用户写的代码， 有操作系统的task_struct以及地址空间，所以它是在用户和操作系统之间的。而消息队列，是属于内核的。那么这里就是下图的样子：

想要让上面两个进程a 和 b进行通信，前提是，必须先让两个进程看到同一份资源！！！（这一句话是通信领域的结论，地位就相当于管理层面的先描述再组织）

现在我们要知道的是这个同一份资源，有可能是文件缓冲区，有可能是内存块。所以， 公共资源种类的不同，决定了通信方式的不同。其中，以文件的形式给我们一个文件缓冲区，这就叫做管道。是否允许匿名，这个就叫做匿名管道；给我们一个内存块，映射到地址空间，这个就叫做共享内存；也可以给我一个队列，这个队列就是我们在数据结构里面学到的那个队列，也就是消息队列。现在来谈这个队列。

这个队列，如果我们想要让两个进程a，b能够进行通信。就必须让两个进程看到同一个队列。 当两个不同进程看到同一个队列之后，我们知道， 两个进程想要通信，就要能够将数据块入队列当中。但是问题来了，两个进程怎么保证，能够拿到对方的数据块呢？这个是因为允许不同的进程能够向内核中发送不同类型的数据块。这些数据块假如a进程的是a类型的数据块， b进程的假如是b类型的数据块。那么a进程要获取b进程的通信，就可以拿到消息队列里面的b类型的数据块。 所以，综上，消息队列是什么？——消息队列的原理就是：a进程， b进程以数据块的形式发送数据进行通信！！！

消息队列的接口

注：消息队列的接口不作为博主讲解的重点，如果想要学习相关接口的友友自行去查阅相关资料哦。

msgget

里面的返回值是int类型。成功返回，会返回一个消息队列标识符。失败返回-1。——无需指明大小，只需直接创建即可。第二个参数是就是那个key（使用路径和项目id确定的唯一key），第三个参数就是创建消息队列的使用方式。

msgctl

这个函数是用来控制消息队列，这里不讲解这个接口的用法，我们用这个接口和信号量的控制接口，以及共享内存的控制接口来进行对比，下面是信号量和共享内存的控制接口：

由上面三个函数我们就可以观察到，我们的进程间通信，是被精心设计过的，无论是我们的共享内存，还是我们的消息队列，亦或者我们的信号量。他在内核层面上都有我们的semid_ds这样的结构， XXXid_ds结构体。 并且，他们三个的XXXid_ds结构体里面第一个成员一定是struct_ipc_perm XXX_perm。并且， 这种结构体里面包含的字段全部都是一样的，都是key还有各种权限。

ipc在内核里面的设计

在操作系统中，所有的IPC资源，都是整合进操作系统的IPC模块中的， 在以后的过程中，我们管理共享内存，管理消息队列，管理信号量，其实本质上就是管理下面这三种结构体：

那么我们如何把这些数据结构管理起来呢？在操作系统当中，其实也是用数组管理的：

如果我们今天创建一个共享内存，那么操作系统当中， 就要为我们创建shmid_fd这样的结构。那么我们就要把shmid_ds的第一个字段填到数组的零号下标里面。

那么， 如果后来我们又创建了一个消息队列. 没关系，虽然我们的struct_ds的类型不一样, 但是我们的结构体的第一个字段和上面的字段是一样的。所以，我们就把这个第一个字段的地址，填到数组的二号下标里面。同样的信号量. 所以，从此往后，我们要管理操作系统内部的不同的IPC资源要如何如何进行管理呢？——答案是先描述：对于不同的资源，我们可以使用不同的描述的方式。再组织，我们可以对不同的资源进行增删查改，最后转化为对该数组进行增删查改。

未来呢，我们一个进程如果想要申请一个共享内存，那么申请共享内存， 就会给我们一个key，然后操作系统就会遍历这个数组，找到每一个ipc资源，比较key，确认是否已经创建过共享内存。 ——其中的，这里的每一个ipc_perm结构，他对应的数组的下标，就是我们所说的shmid或者XXXid！！！

那么，我们如何利用这个数组元素访问XXXid_ds里面的其他字段呢？——只需要强转一下我们的类型——((shmid_ds*)array[])->某个字段——但是问题来了，它是怎么知道要强转成为哪一个类型呢？ipc_perm是操作系统在用户层做的让我们用户看到的属性，但是内核层面上叫做kern_ipc_perm，这个东西里面有mod， delete等等。 其中mod里面就有一个选项，这个选项是一种类型标志位，让代码去区分自己是哪一种ipc资源。——也就是说， 操作系统能够区分指针指向的对象的类型（事实上，我们也可以，就是在对象里面添加一个标志位即可）。

其中，这个数组其实就是实现了多态！！！而其中的ipc_perm就是基类，其他的字段就是子类。指针数组指向了这些ipc_perm，就是实现了多态。

这个数组是操作系统层面创建的数组，和进程没有关系，所以这个下标和文件描述符并不类似。 shmid这个下标是线性递增的。就比如我们今天申请了这个资源，释放掉，下次再申请，这个资源的数字会变大。 ——不会因为释放而减小。但是不需要担心越界，因为他是会发生回绕的，但是我们的这个数组的下标永远是从零开始的，只是在使用的时候会有一个起始计数器，我们最后的shmid就会使用这个起始计数器加上我们的小标进行计算。

信号量

储备知识

理解信号量，我们需要先有一些储备知识，先回忆一下这一张图

这张图，当a进程想要读取， b进程想要写入。他们会不会发生错乱呢？ ——比如我们今天a进程想要给b进程发送100字节，并且这100个字节是应该整体被读取的。但是如果这个时候a刚写了50个字节， b进程就过来读了，那么b进程就可能把这50个字节先读走。 ——这就造成了一种情况， b进程只读取了a进程想要发给他的信息的一部分，这就是数据不一致问题。

那么a和b看到的同一份资源，我们叫做共享资源，因为是共享的，如果不加保护，可能会导致数据不一致问题。
那么我们要如何保护呢？就要用到一种加锁的方式。通过加锁保证一种工作状态。——这就是互斥访问。即：任何时刻只允许一个执行流，访问共享资源。 ——这种概念称之为互斥，就比如我们去ATM机取钱，我们一个人去取钱了，其他人就不能够进去了。
共享资源是任何时刻只允许一个执行流访问（访问就是指的执行访问代码）的资源，我们就叫做临界资源。 管道就是临界资源，但是临界资源一般是内存空间。
假设我们写了100行代码，其中的5 ~ 10行在访问临界资源。所以，这些访问临界资源的代码，就叫做临界区！！！

通过上面的讲解，我们就能解释一个现象： 假如有五个进程在死循环的打印hello world。为什么显示器上面的消息是：错乱的，混乱的并且和命令行混在一起的。——这是因为我们在向显示器打印数据的时候，是先向显示器文件的缓冲区中打印数据，然后再将显示器文件的缓冲区的内容刷到显示器上面打印出来。这其中，我们的进程， 所有的进程都在向我们的显示器文件的缓冲区中打印数据，很显然他们都能够看到我们的显示器文件，那么我们的显示器文件就是一种共享资源。 而又因为我们的显示器文件没有保护机制，那么多进程一起打印的时候，就会发生数据不一致问题。 想要进行保护，就要通过加锁互斥访问的形式变成临界资源！！！

理解信号量

那么如何理解信号量？信号量的本质，其实就是一把计数器！类似于一个整数的的计数器：比如 int cnt——信号量是用来秒数临界资源中，资源数量的多少！！！

临界资源中的资源数量是什么意思？——就比如我们去看电影，电影院有100个座位，那么对应着就一定有100张电影票。当我们去看电影的时候，如果我们买了票了，但是没有去。那么此时电影院其实就是这么一个大的临界资源，我们每一人对应每一个进程，每一张票就代表着我们能够访问电影院里面的一个座位。那么请问我们去看电影，是我们做到这个座位上票是我的？还是我们将票买到了，这个座位是我的？是不是我们将票买到了，这个座位就是我的了呢？——所以， 买票的本质，是对资源的预定机制！！！对于电影院，需要维护一个票数的计数器，每卖出一张票，我们的计数器就要减一，放映厅里面的资源就会少一个！！！票数计数器到零之后，资源已经被申请完毕了！！！ ——就如同下图：

这一块临界资源按照某个单位划分为一块一块的。假如今天有一个执行流访问临界资源，那么这个执行流可能只访问临界资源的一部分。

对于我们的临界资源，如果今天有一个执行流想要访问临界资源，那么他可能只访问其中的一部分。我们对应的系统在临界资源的使用上，我们可以让整个临界资源只被这一个执行流访问。但是这个执行流只访问临界资源其中的一块，所以系统就可以只把这一块分配给这个执行流。当又来了一个执行流的时候，这个执行流也只是访问一块资源，那么这个时候就没必要将整块资源全部锁住，只需要将刚刚第一个执行流的资源锁住，将那一块资源给第二个执行流就行了。所以我们把临界资源拆成一小份，前提是能够被拆成一小份，并且每个执行流只使用一小份资源，这种情况下，我们就可以使得这两个执行流同时都进来访问。这种情况可以提高多执行流访问临界资源的并发度，一定程度上提高效率。

在这种情况下，我们最怕的是，多个执行流访问同一个资源， n个资源但是有n+个执行流。排除我们分配资源的bug问题，为了防止出现n个资源有n+个执行流的问题，我们就会引入一个计数器：

int cnt = 15；（假如有15个资源）

int number = cnt--；（每申请一个资源就渐渐）

cnt <= 0; （小于等于0的时候资源没了，不再分配资源，直到有资源空出来了！）

那么，经过上面的解释，我们可以得出结论——

1、我只要申请计数器成功了，就表示我具有访问资源的权限了！
2、申请了计数器资源，就代表我当前要访问我的资源了吗？——并没有，但是我们只要申请成功了，并且没有释放，那么这里面的资源就一定要有一个供我使用。——所以申请计数器资源的本质就是对资源的一种，预定机制。
3、如果多个执行流全部都申请，那么计数器减为零，就不能申请了。——这个就说明计数器可以有效保证进入共享资源的执行流的数量。
4、所以每一个执行流想访问共享资源的时候，不是直接访问，而是先申请计数器资源，就如同我们看电影需要先买票。

那么，上面提这么多还是没有提到信号量，但是其实我们一直都在说信号量——因为这个“计数器”就被成为信号量！！！

现在再来看这个问题，如果电影放映厅里面只有一个座位呢？——是不是也就意味着，我们只需要一个值为一的计数器。——那么如果有人想买票，就需要先抢这个座位，并且所有人中，只有一个人能够抢到，也就只有一个人能看电影。在放电影期间， 只有一个执行流在访问临界资源。 ——这个概念叫做互斥。我们把只能为一为零两态的计数器叫做二元信号量，本质就是一个锁！！！

那么，我们要访问临界资源，先要申请计数器资源，所以信号量计数器资源的本质，不也就是共享资源吗？——所以，刚刚我们举得例子当中的int本身就是一个临界资源，而这个临界资源是用来保护我们的要访问的临界资源的，但是我们的信号量在保证别人的前提下，是不是也要保护自己是安全的？（因为数据不一致可能发生在计数器上面）——那么请问这个计数器临界资源减减的时候是不是安全的呢？——答案是不是的：cnt--在c语言上，是一条语句，但是变成汇编语言，那么至少会变成多条汇编语句，我们知道cnt是保存在内存中的，而cnt在--的时候要转移到cdu中进行计算，那么减减操作就是:

1、首先cnt变量的内存从内存转移到cpu中的寄存器中。 2、在cpu内进行计算。 3、将计算结果写回cnt变量的内存位置。

但是这里有一个问题：就是进程在运行的时候，可以随意的切换，有可能在我们的三步执行过程之间的某一个邻接点的时候，这个进程就被切走了！！切走的时候，多执行流都访问这个变量时，就有可能让cnt减出问题，比如多减了一下，或者少减了一下。

所以，我们的cnt不能随意地减减，所以这里就有了一个概念——申请计数器，本质是对计数器减减，这个操作在信号量当中专门封装了一个方法，就好比这个信号量类里面有一个计数器成员，申请的时候就有一个成员方法——申请信号量，对信号量做减减，这个操作就可以成为p操作。 ——释放资源，就好比释放信号量，本质是对计数器进行++操作。并且这个操作表示归还资源，因为加加资源变多了，就表示归还资源。归还资源，其他进程就可以申请了，这个操作，就叫做v操作。 ——信号量的申请和释放，就被我们叫做pv操作。 ——其中，这些操作，在汇编层面上就会将我们的语句c语句变成多条汇编语句，所以多执行流调度的时候，一定会已出现多执行流混合交叉的问题，就可能这个变量出现问题。 ——所以，这里就需要我们我们申请和释放的这个pv操作必须是原子的。 ——什么是原子的？在技术层面上来说，如果一条语句转化为汇编语句，只有一条汇编语句，那么就是原子的。

所以，通过以上的论述，我们就能总结出一个结论。——就是对于信号量来说，信号量本质就是一把计数器，对于计数器匹配的操作，就叫pv操作，这个pv操作是原子的。所有的执行流申请资源，就必须先申请信号量资源，得到信号量之后，才能访问临界资源。如果信号量的值为1/0两态的，我们就称为二元信号量，就是互斥。其中，我们申请信号量的本质，就是对临界资源的预定机制！！！

信号量接口

信号量接口博主没有具体学习过，这里不讲解具体，只是提一下

其中第二个参数是申请多个信号量，多个信号量和信号量是几，是不一样的概念。

上面的参数中有一个结构体叫做sembuf，这个结构体如下：

信号量与进程间通信

信号量为什么是进程间通信的一种？

1、我们的通信，不仅仅是传送数据，通信也在于双方之间的互相协同。
2、协同虽然不是以传送数据为目的。但是他以时间通知为目的。 它的本质就是在传递信息，只不过不是传统的hello world、hello linux这样的数据了。 ——就比如我们上课，以及我们吃饭，假如小王和校长，小张吃饭的时候喜欢和小王吃，所以小王吃饭的时候就会给小张打电话。小王喜欢逃课，小张在上课的时候，如果有签到，就给小王打电话。这两个人互相通知， 这个互相就叫做协同；这个通知，就叫做信号。这个通知是不是通信？是的！！！——所以，信号量的本质，其实也是通信。

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