Linux 消息队列信号量
目录
一、前言
二、消息队列
1、原理
2、接口
2.1创建消息队列
2.2释放消息队列
2.3发送数据
2.4 接收数据
四、IPC在内核中地数据结构设计
五、信号量
1、互斥
2、信号量
3、信号量的接口
3.1申请信号量
3.2删除信号量
3.3信号量的操作
一、前言
我们讲进程通信，本质是让不同的进程看到同一份资源。
我们已经给大家介绍了管道，共享内存，接下来我们给大家简单的介绍一下消息队列。
二、消息队列
1、原理
如果我们想让进程间通信，那么必要的条件就是让不同的进程看到同一份资源，这个资源可以是文件缓冲区，内存块，队列等。
对于消息队列，就是让同一个进程看到同一个队列
允许不同的进程向内核中发送带类型的数据块
A进程 <---- 数据块的形式发送数据 ----> B进程
这个消息队列只能由操作系统来提供，而且也一定要先描述在管理。
2、接口
2.1创建消息队列
man msgget
int msgget(key_t key, int msgflg);
key是我们上一篇博客讲的，用ftok这套算法创建同一个key
第二个参数也是IPC_CREAT和IPC_EXCL
msgget的返回值是成功返回一个消息队列标识符，失败返回-1。与前面的共享内存是极度相似的
我们可以用ipcs -q命令来查看消息队列
用ipcrm -q “消息队列的标识符"来去除消息队列
2.2释放消息队列
man msgctl
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
它与释放共享内存的接口msgctl是类似的，对于第二个参数，如果要释放，还是这个IPC_RMID
共享内存的属性结构体是 struct shmid_ds
消息队列的属性结构体是 struct msqid_ds
他们内部包含了一个同样的结构体struct ipc_perm
在下面我们给大家讲解IPC在内核中数据结构的设计会具体讲解。
2.3发送数据
man msgend
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
- 第一个参数是消息队列的标识符
- 第二个参数是要发送数据块的起始地址
- 第三个是要发送数据块的大小
- 第四个一般直接设置为0
这个第二个参数是void*的原因是要自己定义一个struct结构体，如同上面所示的那个msgbuf，只要保证第一个是类型，第二个是内容即可
2.4 接收数据
man msgsnd
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
- 第一个参数是从哪个消息队列拿
- 第二个参数和第三个参数与第一个函数是同样的道理，相当于一个缓冲区
- 第四个参数是要读取的哪一种类型的数据。也是我们在结构体中定义的
- 第五个参数和前面一样，默认为0即可
四、IPC在内核中地数据结构设计
在操作系统中，所有的IPC资源，被整合在一起，放到操作系统的IPC模块中。
如下所示，是System V方式的三种IPC方式的内核数据结构
我们在上面也提到过，他们的内核里都有一个结构体struct ipc_perm
在操作系统里有一个struct ipc_perm *Arry的数组，数组对所有的IPC进行管理
未来当我们要去寻找一个共享内存是否存在的时候，就会直接去遍历这个数组里面的key，然后从而就可以进行直接比对key就知道了它是否已经创建了。
我们创建共享内存和消息队列返回的id即为数组下标
那我们要不要担心这个数组会满呢？
这个数组下标是不断增大的，线性递增的，当达到最高值的时候，回绕到0。
那么如何访问其他的成员呢？
注意看，这里正好是放在了第一个字段，所以这个字段的地址正好就是这个数据结构的地址。我们只需要将这个地址强转为这个数据结构的地址，然后就可以访问其他成员了！
那么现在问题来了，我们怎么知道我们要转成什么类型呢？
这其实是什么这个第一个字段的 xxx_perm结构体里面，有一个字段标志着是哪种资源，所以可以知道强转成什么类型
即OS能区分指针指向的对象的类型
而上面的这个操作，其实我们仔细一想，这不就是多态吗。struct ipc_perm是基类，其他的这些struct xxxid_ds就是子类
五、信号量
当我们A进程和B进程向同一份资源写入数据的时候，当A正在写入时，写了一部分，就被B拿走了，导致双方和收的数据不完整。 这个就会导致数据不一致的问题。
将多个进程同时看到的那一份资源叫做临界资源。我们仔细观察可以看到，在 server 和 client 中访问共享内存 / 临界资源的代码实际上只有少部分几行。造成读写不一致可能就是这部分代码导致的，我们将访问临界资源的代码叫做临界区，为了避免这种数据不一致问题，我们要对临界区进行某种保护，这种保护就被称作为互斥。
互斥：只允许一个执行流访问共享资源。
1、互斥
所谓互斥就是有一块空间，在任何时候有且仅能有一个进程在进行访问（生活中最典型的互斥场景就是去上洗手间），互斥本身是一种串行化执行（也就是说，共享内存中就是因为并行读写执行才导致的数据不一致问题），而后面一般互斥是通过锁来完成的，这里可以提一种二元信号量来完成串行执行（我们也能猜到加锁和解锁是有代码的） 。所以串行化的过程本质是对临界区资源加锁和解锁，从而完成互斥操作。也就是说，client 和 server 都必须遵守 “要进入临界区就得加锁，退出临界区就得解锁” 这一原则。
这里我们理解一下什么是原子性概念：
这里再感性的理解一遍原子性概念，其实说白了，就是要么做了，要么没做。比如一个进程想往共享内存里写 "Hello World"，写完 "Hello" 时的这个状态叫做写入中，那么在写入过程中是不能被打搅的，得等到全部写完为止。也就是说，在其他人看来，这里写入过程的状态只有两种，其一是还没写，而其二是写完了，这就是原子性。
最典型的应用就是，假设我们在农商银行里有 1000 元，在建设银行里有 500 元，然后我们想进行转帐：农商账号 -= 200；建设账号 += 200。其中，当我们从农商账号转账到建设账号的时候，系统崩溃了，此时建设银行账号还是 500 元，但是农商银行账号少了 200 元。这个现象说白了就是当某个任务正在进行时，突然因为某些原因而导致任务中断，这就叫做不是原子性。所以这个转账的过程要不就不做，要不就必须得做成功，或者转账失败了也能保证农商账号的钱不受影响，这就是原子性。
我们也可以采用互斥的方案来保证原子性。
总结：
- 于各个进程要求共享资源，而且有些资源需要互斥使用，那么各进程竞争使用这些资源，进程之间的这种关系就叫作进程的互斥。
- 系统中某些资源一次只允许一个进程使用，这样的资源被称为为临界资源或互斥资源。
- 在进程中涉及到互斥资源的程序段叫做临界区。
- 特性：IPC 资源必须删除，否则不会自己清除，除非重启，所以 System V IPC 资源的生命周期随内核。
2、信号量
信号量本质上是一把计数器，用来描述临界资源中资源数量的多少。
这个时候我们提出一个预定机制。
在宿舍的时候，虽然没躺着，但是那个床位依旧是属于我们的。我们在网上买电影票看电影，虽然还没到时间去看，但我们很清楚，到了一定的时间我们就能看到。所以现实生活中存在很多 “预定机制”，因为不提前享受，所以在卖票的时候就得保证一人一座，不能超过电影院的承受能力。
我们把临界资源划分为若干份
我们害怕多个执行流访问同一份资源，我们引用一个计数器，其实这个计数器就是信号量。
假设这里面被划分为12份，int cnt=12。 当申请一次计数器资源，本质上是预定临界资源内的一份资源，所以cnt--；当要释放一个进程不再访问，则cnt++；当cnt<=0，表示资源被申请完了，如果还有执行流申请，就不打算分配资源了。
总结
- 申请了计数器成功，就表示具有访问资源的权限。
- 申请了计数器资源，这里这是申请计数器资源，还没有访问想要的资源。这里只是对资源的预定机制。
- 计数器可以有效保证进入共享资源的执行流的数量。
- 每一个执行流想访问共享资源要先申请计数器资源。
如果我们前面所提到的放映厅只有一个座位！，那么我们只需要一个值为1的计数器。
此时只有一个人能抢到这份资源，只有一个人能进放映厅看电影。即看电影期间只有一个执行流在访问临界资源。
这就是互斥！！！
所以我们把值只能为1，0两态的计数器叫做二元信号量，本质就是一个锁
上面中，我们凭什么让计数器为1??这是因为资源为1了，也就是说本质就是将临界资源不要分成很多块了，而是当作一个整体，整体申请，整体释放！！
信号计数器保护的是临界资源，要想保护别人，就要保证自己的安全。
这里我们申请信号量，对计数器--为P操作。
释放资源，释放信号量，对计数器++为V操作。
这里我们把申请和释放的操作叫做PV操作。
PV操作是原子的。原子性
3、信号量的接口
3.1申请信号量
下面的系统调用的功能就是申请一个信号量集
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
第一个参数是key，我们用ftok获取
第二个参数申请几个资源，如果申请一个就是1
第三个参数是设置为O_CREAT和O_EXCL，和前面一样
返回值就是信号量集标识符
这里需要注意，多个信号量和信号量是几是不一样的
3.2删除信号量
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
第一个参数是信号量的标识符
第二个是几个信号量
第三个删除操作
可变部分可以传递信号量对应的结构体
同时这个函数除了删除信号量，也可以设置信号量
如果只有一个信号量，那么这个编号直接设置为0，cmd设置为SET。最后可变部分传递这个联合体，最终这个信号量初始值就被设置为对应的值
3.3信号量的操作
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
int semtimedop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops, struct timespec *timeout);
第一个函数中
第一个参数是对哪一个信号量进行操作
第二个参数是一个我们自定义的结构体
可以看到 System V 标准下的 ipc 共享内存机制其实蛮复杂的， 但其实共享内存又是 System V 标准下最简单的一套机制，所以当我们看到这里的时候也不难，相对更复杂的是消息队列机制，最复杂的是信号量机制。实际在公司中很少自己写这些东西，特别是消息队列和信号量，所以目前就先了解共享内存机制，知道是其底层是怎么通信的即可。