10.共享内存 信号量集 消息队列

1. IPC对象操作通用框架

• 操作流程：
  1. 生成唯一键值（ftok）：

     key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
     

     • 功能：通过路径和项目ID生成唯一键值。
     • 参数：
       • pathname：文件路径。
       • proj_id：项目ID（通常为ASCII字符）。
     • 返回值：成功返回键值，失败返回-1。
  2. 申请IPC对象：
     • 共享内存：shmget。
     • 信号量集：semget。
     • 消息队列：msgget。
  3. 操作IPC对象：
     • 共享内存：shmat、shmdt。
     • 信号量集：semop。
     • 消息队列：msgsnd、msgrcv。
  4. 删除IPC对象：
     • 共享内存：shmctl。
     • 信号量集：semctl。
     • 消息队列：msgctl。

2. 共享内存（Shared Memory）

• 特性：
  • 效率最高的进程间通信方式。
  • 多个进程可以共享同一块内存区域。
• 操作流程：
  1. 申请共享内存：

     int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
     

     • 功能：申请共享内存。
     • 参数：
       • key：唯一键值。
       • size：共享内存大小。
       • shmflg：权限标志（如IPC_CREAT|0666）。
     • 返回值：成功返回共享内存ID，失败返回-1。
  2. 映射共享内存：

     void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
     

     • 功能：将共享内存映射到进程地址空间。
     • 参数：
       • shmid：共享内存ID。
       • shmaddr：映射地址（通常为NULL，由系统分配）。
       • shmflg：映射标志（如0表示读写，SHM_RDONLY表示只读）。
     • 返回值：成功返回映射地址，失败返回(void*)-1。
  3. 读写共享内存：
     • 使用memcpy、strcpy等函数直接操作映射地址。
  4. 撤销映射：

     int shmdt(const void *shmaddr);
     

     • 功能：断开共享内存映射。
     • 参数：shmaddr：映射地址。
     • 返回值：成功返回0，失败返回-1。
  5. 删除共享内存：

     int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
     

     • 功能：删除共享内存。
     • 参数：
       • shmid：共享内存ID。
       • cmd：命令（如IPC_RMID表示删除）。
       • buf：共享内存信息结构体（通常为NULL）。
     • 返回值：成功返回0，失败返回-1。

3. 信号量集（Semaphore）

• 特性：
  • 用于解决共享内存的临界资源访问问题。
  • 通过P（sem_wait）和V（sem_post）操作实现同步。
• 操作流程：
  1. 申请信号量集：

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

     • 功能：申请信号量集。
     • 参数：
       • key：唯一键值。
       • nsems：信号量数量。
       • semflg：权限标志（如IPC_CREAT|0666）。
     • 返回值：成功返回信号量集ID，失败返回-1。
  2. 初始化信号量：
     • 使用semctl初始化信号量值。
  3. P/V操作：

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

     • 功能：执行P/V操作。
     • 参数：
       • semid：信号量集ID。
       • sops：操作结构体数组。
       • nsops：操作数量。
     • 返回值：成功返回0，失败返回-1。
  4. 删除信号量集：

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

     • 功能：删除信号量集。
     • 参数：
       • semid：信号量集ID。
       • semnum：信号量编号。
       • cmd：命令（如IPC_RMID表示删除）。
     • 返回值：成功返回0，失败返回-1。

4. 消息队列（Message Queue）

• 特性：
  • 用于进程间传递消息。
  • 消息以队列形式存储，先进先出（FIFO）。
• 操作流程：
  1. 申请消息队列：

     int msgget(key_t key, int msgflg);
     

     • 功能：申请消息队列。
     • 参数：
       • key：唯一键值。
       • msgflg：权限标志（如IPC_CREAT|0666）。
     • 返回值：成功返回消息队列ID，失败返回-1。
  2. 发送消息：

     int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
     

     • 功能：发送消息。
     • 参数：
       • msqid：消息队列ID。
       • msgp：消息结构体指针。
       • msgsz：消息大小。
       • msgflg：发送标志（如0表示阻塞）。
     • 返回值：成功返回0，失败返回-1。
  3. 接收消息：

     ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);
     

     • 功能：接收消息。
     • 参数：
       • msqid：消息队列ID。
       • msgp：消息结构体指针。
       • msgsz：消息大小。
       • msgtyp：消息类型。
       • msgflg：接收标志（如0表示阻塞）。
     • 返回值：成功返回消息大小，失败返回-1。
  4. 删除消息队列：

     int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
     

     • 功能：删除消息队列。
     • 参数：
       • msqid：消息队列ID。
       • cmd：命令（如IPC_RMID表示删除）。
       • buf：消息队列信息结构体（通常为NULL）。
     • 返回值：成功返回0，失败返回-1。

5. 练习与作业

• 练习1：使用共享内存完成两个进程间的通信，共享一个数字。
• 练习2：设计两个进程，进程1获取用户输入并写入共享内存，进程2读取共享内存并打印输出，遇到exit时退出。
• 作业1：封装信号量的P/V操作函数：

  int my_sem_wait(int id, int sem);
  int my_sem_post(int id, int sem);
  

• 作业2：使用信号量集解决共享内存的临界资源访问问题。

6. 总结

• 共享内存：效率最高的IPC方式，适合大数据量传输。
• 信号量集：用于解决共享内存的同步问题。
• 消息队列：适合进程间传递结构化消息。