【Linux】消息队列和信号量

消息队列

什么是消息队列

消息队列是一种 进程间通信机制，允许不同进程通过 消息（数据块） 进行异步通信。消息队列中的消息按照先进先出（FIFO） 的方式存储，并由一个进程写入（发送），另一个进程读取（接收）。

DATA需要用结构体包装起来，不能裸发数据，因为需要标识生产者和消费者的属性。

消息队列的相关函数

获取消息队列

由于消息队列和共享内存还有信号量都是System V标准下的，所以函数接口都大差不差，key表示获取的消息队列的键值，也可以通过函数ftok来获取。msgflg表示标志位，可以设置消息队列的权限和获取消息队列还是创建消息队列。

控制消息队列

msgctl可以通过cmd传递的宏来控制msgctl的行为。

比如我们传递IPC_RMID就是删除消息队列。

接收和发送消息（msgsnd，msgrcv）

首先从msgsnd讲起，msgsnd表示发送消息，第一个参数是msqid是msgget的返回值，第二个参数是一个结构体需要我们自己定义。

第一个用来标识传递的不同的消息，第二个参数表示用来存储实际的数据，这个数组一般被视为柔性数组，第三个参数，表示正文部分的大小，告诉另一端需要受到多大的消息，第四个参数用来控制消息发送的行为，默认情况下没有特殊需求一般默认设置为0.
接收消息唯一有区别的地方就是msgtyp，msgtyp表示接收消息的行为，当msgtyp==0时接收消息队列中的第一条消息，当msgtyp>0时表示接收类型等于msgtyp的消息，当msgtyp<0时表示接收消息类型小于msgtyp的最小类型消息。

信号量

什么是信号量

信号量是一种用于进程同步和互斥的机制，常用于控制多个进程或线程对共享资源的访问。它可以防止竞争条件（race condition）导致的数据不一致问题。

什么是同步？
多个执行流在访问临界资源的时候，具有一定的顺序性，这就叫做同步。
做个比喻，好比一个管道，当写端向管道发送消息的时候，读端是不能读取的，而只能阻塞等待写端写完之后读端才能读取消息，而在读端读取消息的时候，写端也不能在读端还没有读完就继续写，这就产生了顺序性，这就是同步机制
什么是互斥？
任何时刻只允许一个执行流访问资源这就叫做互斥

什么又叫做临界资源？
被保护起来的数据叫做临界资源。
临界区和非临界区的定义
临界区：在进程中涉及到互斥的资源的代码段叫做临界区
非临界区：和上面相反的，在进程中，没有涉及到互斥资源的代码段叫做非临界区

一般从临界区到非临界区，我们把他叫做加锁操作，从临界区到非临界区叫做解锁操作。

说完这些我们可以来说说信号量的概念了。
从定义上来看信号量很抽象，可以用图抽象出来：

当我们把资源当成一个整体的时候，由于互斥机制的影响，当A进程访问临界资源的时候，B进程数你不能访问的，只有当A进程访问完之后，B进程才能访问临界资源，我们学过共享内存我们知道，临界资源我么可以将其划分成若干个，假如我们开辟了4096个字节，我们可以将其划分为16*256个字节，也就是每块16字节一共有256块。
这样不同进程可以访问不同的进程块，这个共享资源容纳的最大进程数是划分的进程块的个数，我们可以将信号量理解为一个count也就是计数器，信号量是为了防止由于竞争导致数据不一致的情况，所以这个count会记录资源中的进程数，当一个新的进程数需要进入共享资源的时候，信号量需要做判断，判断一下资源中的进程数是否大于整个划分过的进程块，如果大于等于说明不能进入了，如果小于说明还可以进入，所以进程访问临界资源不是变成了去占空间，而是先预定一个信号量，当我们预定了一个信号量就算我们不访问这个数据块，这个位子也是我们的。
总结：信号量可以表示对资源预定的计数器。

信号量的函数接口

获取信号量

第一个是key，第二个是需要获取的信号量集中的信号量个数，第三个是标志位，用来控制信号量的权限和如何获取信号量。

控制信号量

第一个参数是获取信号量的返回值，第二个参数表示我们需要操作信号量集中的哪一个信号量，第三个是做什么操作。

查看信号量

ipcs -s

总结

消息队列和信号量是 Linux 进程间通信（IPC）中重要的同步与数据传输机制。消息队列提供了灵活的异步通信方式，适用于进程间的结构化数据交换，而信号量则用于进程同步与资源管理，避免竞态条件的发生。合理运用这两种机制，可以有效提升多进程程序的稳定性与效率。在实际开发中，根据应用场景选择合适的 IPC 方式，结合其他同步手段，如共享内存和管道，可进一步优化系统性能。