【Linux】进程间通信（System V IPC）

这节我们开始学习System V IPC方案。
分别是共享内存，消息队列与信号量

会着重讲解共享内存，但是消息队列与信号量只会说明一下原理。

原因：System V是新设计的一套标准

1. 与文件的整合度不高
2. 只能进行本地通信

更何况，我们现在有了网络，可以进行更强大的通信。

共享内存：

原理：

首先我们要明确一点，进程间具有独立性，那我们通信必须要申请一块公共内存。下图就是一个简略的简述两个独立的A与B进程

我们回想一下动态库的加载，我们将加载到内存中的动态库可以分别通过页表映射到A与B的共享区，故动态库也叫做共享库（被多个进程同时拥有）。
那么共享内存当然也可以被加载到共享区，这样两个进程就可以有一块公共的内存空间了！

所以，通过地址空间的映射，让A和B看到同一份内存就叫做共享内存

理解：

1. 所有的操作都是OS来完成的。–>因为OS是软硬件的管理者，

2. OS可以做，但是OS不知道什么时候做，所以OS需要提供系统调用接口，这样就可以由进程发起

3. 不仅仅只有A与B进程可以通过共享内存进行通信，同理D和C，E和F也都可以！

4. OS注定要对共享内存进行管理。因为有的共享内存刚创建，有的要删除，有的要通信，这就需要管理起来，而管理就需要先描述在组织。

5. 共享内存 = 内存空间（数据）+ 共享内存属性

代码 + 理论：

shmget：

先来看看如何申请共享内存

我们先来分别理解一下

size：这个代表你想要多大字节的内存

shmflg：这是最主要的两个标志

与文件系统调用的传参是很相似的，都是本质都是位图的应用！

我们将最主要的两个标志分别组合看看代表什么含义：

IPC_CREAT：代表目标共享内存没有就创建，有了就获取
IPC_EXCL：单独使用无意义
IPC_CREAT | IPC_EXCL：代表目标共享内存没有就创建，有了就报错。

什么？那第三个有什么用吗？
答案是有的，他们分别代表了不同的职责。

IPC_CREAT代表的是总能获取一个共享内存，
而两者相或代表这个共享内存一定是全新的，
也可以分别对应上我们的client与server。

我们一般进行创建的时候最好加上权限，也就是|上一个0x666之类的

key:是表示共享内存的唯一标识符

那么该如何理解呢？
我们以一个小三段论来理解（是什么，为什么，怎么办）

是什么：当你想要创建一个共享内存时，OS怎么知道你想创建的是否已经存在了呢？
故需要一个标识符来进行标识！

为什么：为什么这个标识符要由用户生成？
如果是由OS自动生成，当A成功申请了一个共享内存，当要与B建立联系时，必然就要知道这块内存在哪里，可是这是由OS生成，B就没办法知道，也就建立不了联系了。
所以要由用户生成，使用同一个key进行一个规则上的约束，进而互相找到对方。

怎么办：我们使用OS提供的ftok接口进行生成key。
pathname与proj_id自定义即可

接下来我们代码操作一下

分别在客服端与服务端打印出来是一样的数字
接下来我们进行shmget：

那么问题来了，返回值是啥？
返回值也是共享内存标识符，但和key完全不一样，

我们进行打印一下返回值。

我们另外发现即使创建这个共享内存的进程已经结束了，但是共享内存依旧不可以重新创建，这也就说明共享内存的生命周期是随进程的，不随着进程的结束而结束。

那么这两个标识符到底有什么区别呢？
再开始之前我们先看一下共享内存的删除。

指令删除语法：

ipcrm -m shmid

经过测试我们发现只有这个返回值shmid才可以删除掉，而key是无法做到的。
现在就可以正式回答这个问题了：
我们用户生成一个标识符给内核用，而内核生成一个标识符给用户用，这也侧面进行了解耦，类似文件中的struct file*与fd

可是使用指令删除也太挫了，我们学习一下如何在进程中删除~

shmtcl：

没错，虽然没有直接进行删除的接口，但是ctl也就是control的简写，使用这个接口也可以进行除了删除之外的操作。

我们先来了解一下shmctl的各个参数：
shmid：没什么好说的，就是我们刚刚shmget的返回值
cmd：对这个shmid标识的共享内存进行各种操作的控制参数，我们用的删除即是下图的IPC_RMID（rm是remove，id是immediate）

buf：是一个输入/输出型参数，可以传一个结构体进行对内核数据的获取，也可以进行控制里面的共享内存的各种参数，这里我们不需要管，直接传个nullptr即可~

代码：

shmat && shmdt：

shmget是进行对共享内存的创建，而at是进行挂载，将创建好的共享内存映射到共享区！

参数解释：
shmid：没什么好说的，就是get的返回值
ahmaddr：想要对共享内存挂载的地址，这里我们不需要（传nullptr即可）
shmflg：对于共享内存的权限，同样不需要（传0即可）

void* ：虚拟地址空间的共享内存返回值（类似malloc的返回值）

于是我们终于可以进行通信了，以上也都是通信的准备工作~
但是开始之前我们需要将Getshm改动一下，分别适配server，client

下图是进行通信的代码，client是写数据，而server是接收数据

现象：可以发现共享内存并没有像管道一样提供一些保护机制，比如管道没数据就不会读，每次读完就会清空数据…

于是我们得到了一个结论：共享内存并没有提供数据的保护机制。

但是她就没有优点吗，答案是否定的。
他是所有IPC中最快的通信方式，因为他没有调用系统调用接口，不存在各种缓冲区考来考去，大大减少了拷贝！

此外，虽然共享内存没有提供保护机制，但是我们可以使用一些手段进行对其进行保护，例如我们的命名管道~

消息队列：

我们接下来的消息队列与信号量都是讲解一下原理，不进行操作~

原理：

同样，这是由OS本身申请，由进程发起。
注意：消息队列也可以有多个，所以也需要进行管理，先描述再组织！

接口：

msgget：

相信key与flg已经不用介绍了，与shm是非常相似的

msgctl：

也是与shm一致！

msgsnd && msgrcv：

msgp：
是指向消息块的结构体。

当我们想使用时， 像下图一样使用即可
msgsz：结构体的大小，我们直接sizeof即可获得
msgflg：权限

msgtyp：数据块的类型

指令操作：

与共享内存相似，将m改为q即可，shmid改为msgid。

注意：消息队列的声明周期也是随内核

信号量：

一些概念的渗透：

对于信号量的理解：

我们回顾一下shm与pipe。都是对一块内存的整体使用

那我们是不是可以将这大块资源分成一个个小块，让多个执行流访问同一块资源，在公共资源的基础上保证并发度。
所以信号量就是对不整体使用，对小资源进行管理的一种IPC，本质就是计数器。

我们来举个例子：
我们看电影都会买票，只要你买了票不管你去不去，这个座位都是你的。

但是对于这种事件我们最怕一件事：那就是只有25个座位却卖出26张票。

那我们如何进行预防呢？
就是设置一个计数器count = 25。卖出一张票就–，如果count == 0就不卖了。

在这个例子中：

结论：保证资源被合理使用要做到以下两点

• 先“买票”
• 让执行流（进程）与资源一一对应。

所以访问共享资源我们要

1. 申请信号量
2. 访问共享内存
3. 释放信号量

所以信号量的本质就是对资源的预定。
注意：对于信号量我们也分为两种：多元与二元信号量。
多元就像25张票的例子，
而二元呢？就像是一个vip放映厅，只允许一个人进去看，对资源的整体进行使用—>对应的其实就是互斥

我们现在也就从生活中的例子过渡到信号量了

疑问：
刚刚我说信号量本质是一个计数器，那么我可以使用一个全局变量来当做信号量？
答案是否定的

1. 全局不能被所有进程看到，只有父子进程或其他亲缘关系的进程可以看到，但是会发生写时拷贝，各玩各的，非亲缘关系的进程更不用说了
2. 对一个变量的++/–操作是非原子的

非原子是什么意思？
转变到汇编语句实际上是有超过2句代码以上的，
像我们定义一个变量并直接初始化是只有一句汇编语句的，也就是原子的

虽然都是IPC范畴内的，但是他与共享内存和消息队列还是有不一样的，并不是用来传递消息，而是用来进行同步互斥
但最终还是IPC范畴的，因为他是公共资源~

现在我们还有最后一个问题：
信号量也是公资源，需要用它来保护其他公共资源，那她自己怎么保护自己的资源？
他的++/–操作被设置为原子的，叫做PV操作！

接口 && 指令：

待更新~

OS对于这三者的管理：

其实在共享内存哪里我们草草的涉及了一下一个很关键的东西。
在shmctl中有一个shmid_ds的结构体。
这个结构体的第一个成员是一个perm结构体
而这个东西不仅仅是只有shm有，其余两个也都有！

我们来看一个图（是一个关于IPC的 内核图）

可以看到有一个ipc_ids的结构体（最上边）内指向有一个ipc_id_ary的结构体。这个结构体内有个柔性数组[0] + size。
这个柔性数组每一个成员是一个个指针，是一个个的kern_ipc_perm的指针，也就是我们用户层各个ds结构体的第一个成员，当我们像利用ctl函数进行拷贝时，实际上就是去内核拷贝一份这个给用户。

实际上假如当我们申请一个信号量，就会在柔性数组中寻找一个未被使用的位置指向你申请的sem或者shm或者msg，所以shmid…就是柔性数组下标。
这也就说明我们的这个柔性数组把这个IPC资源统一管理起来l！

所以我们的key也会相互冲突（对柔性数组进行遍历检查），毕竟用的也是同一个算法嘛~

那么我们现在还有一个问题，这个柔性数组内的指针怎么知道自己指向什么？所以我们就可以肯定这个结构体内肯定有进行标识的字段！
至于如何变为对应的结构体（shm，msg，sem），我们就用指针的强转咯~

所以这也就是用C语言实现的多态！

本章完~