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2018
04-06

进程间通信-消息队列、信号量

消息队列

概述

消息队列是消息的链表,存在内存中,由内核维护。理解消息队列最直观的方法是把消息队列比喻成进程间通信的公共邮箱。每一组要通过消息队列进行通信的进程都有一个公共的邮箱,要通信的进程把自己的消息放到邮箱中,其他进程就可以从该邮箱中拿走消息。进程可以不用关心消息发送的顺序,只要从邮箱里面拿走自己想要的消息就可以了。消息可以有类型,可以只取出特定类型的消息。比如有的消息是比较紧急的,那么取信方就可以先把要紧的消息拿出来。以下是消息队列的特点:

  1. 消息队列中的消息是有类型的。
  2. 消息队列中的消息是有格式的。
  3. 消息队列可以实现消息的随机查询。消息不一定要以先进先出的次序读取,编程时可以按消息的类型读取。
  4. 消息队列允许一个或多个进程向它写入或者读取消息。
  5. 与无名管道、命名管道一样,从消息队列中读出消息,消息队列中对应的数据都会被删除。
  6. 每个消息队列都有消息队列标识符,消息队列的标识符在整个系统中是唯一的。
  7. 只有内核重启或人工删除消息队列时,该消息队列才会被删除。若不人工删除消息队列,消息队列会一直存在于系统中。

消息队列和共享内存一样,是系统的一种有限资源。在ubuntu12.04中消息队列限制如下:

  1. 每个消息内容最多为8K字节
  2. 每个消息队列容量最多为16K字节
  3. 系统中消息队列个数最多为1609个
  4. 系统中消息个数最多为16384个

System V标准和POSIX标准都提供了一组用于进程间进程消息队列通信的接口,它们有各自参数和特点。

System V消息队列

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
int msgget(key_t key, int msgflg);

功能:
创建一个新的或打开一个已经存在的消息队列。不同的进程调用此函数,只要用相同的key值就可以得到同一个消息队列的标识符。
参数:
key:IPC键值
msgflg:标识函数的行为及消息队列的权限,可以取以下值:
IPC_CREAT:创建消息队列。
IPC_EXCL:检测消息队列是否存在。
位或权限位:消息队列位或权限位后可以设置消息队列的访问权限,格式和open函数的mode_t一样,但可执行权限未使用。
返回值:
成功:消息队列的标识符
失败:返回-1

可使用shell命令操作消息队列:
查看消息队列:ipcs -q
删除消息队列:ipcrm -q msqid

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

功能:
将新消息添加到消息队列。
参数:
msqid:消息队列的标识符。
msgp:待发送消息结构体的地址。
msgsz:消息正文的字节数,不包括消息类型字段的长度。
msgflg:函数的控制属性,可取如下值:
0:msgsnd调用阻塞直到条件满足为止。
IPC_NOWAIT: 若消息没有立即发送则调用该函数的进程会立即返回。
返回值:
成功:0;失败:返回-1。

System V消息队列并没有规定消息的类型该如何定义,它只受长度上限的限制,且一般以一个整型变量开始,接收方需要使用该变量来确定消息的类型。使用消息队列时,最好把消息队列定义成下面这样:

typedef struct _msg
{
long mtype; /*消息类型*/
... /*消息正文*/
}MSG;
ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);

功能:
从标识符为msqid的消息队列中接收一个消息。一旦接收消息成功,则消息在消息队列中被删除。
参数:
msqid:消息队列的标识符,代表要从哪个消息列中获取消息。
msgp: 存放消息结构体的地址。
msgsz:接收时指定的消息正文的字节数,不包括消息类型字段的长度。
msgtyp:希望接收消息的类型,可以有以下几种类型
msgtyp = 0:返回队列中的第一个消息
msgtyp > 0:返回队列中消息类型为msgtyp的消息
msgtyp < 0:返回队列中消息类型值小于或等于msgtyp绝对值的消息,如果这种消息有这若干个,则取类型值最小的消息。
注意:
若消息队列中有多种类型的消息,msgrcv获取消息的时候按消息类型获取,不是先进先出的。在获取某种类型消息的时候,若队列中有多条此类型的消息,则获取最先添加的消息,即先进先出原则

msgflg:函数的控制属性
0:msgrcv调用阻塞直到接收消息成功为止。
MSG_NOERROR:若返回的消息字节数比nbytes字节数多,则消息就会截短到nbytes字节,且不通知消息发送进程。
IPC_NOWAIT:调用进程会立即返回。若没有收到消息则立即返回-1。
返回值:
成功返回读取消息的长度,失败返回-1。

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

功能:
对消息队列进行各种控制,如修改消息队列的属性,或删除消息消息队列。
参数:
msqid:消息队列的标识符。
cmd:函数功能的控制,可以取以下值:
IPC_RMID:删除由msqid指示的消息队列,将它从系统中删除并破坏相关数据结构。
IPC_STAT:将msqid相关的数据结构中各个元素的当前值存入到由buf指向的结构中。
IPC_SET:将msqid相关的数据结构中的元素设置为由buf指向的结构中的对应值。
buf:msqid_ds数据类型的地址,用来存放或更改消息队列的属性。
返回值:成功:返回 0;失败:返回 -1

示例:msg_queue_write.c
msg_queue_read.c

信号量

概述

信号量的作用是用来对进程或线程进行同步与互斥。一般程序中都会有一部分临界代码,同一时间只能有一个进程或线程进入这个临界代码并拥有对资源独占式的访问权,比如修改重要的作为标志位的全局变量就要求独占式访问。到现在为止似乎只有全局变量这一种方式可以用来同步操作,即每个程序在进入这段代码时对全局变量设置一个标志位,而其他程序要进入这段代码时首先要求检测该全局变量,如果有标志位则不允许进入。这种方式原理是可行的,但是不能在进程间使用,只能用于同一个进程内。而且,即使是同一个进程内部,对全局变量的访问也不是原子操作。所谓原子操作是对变量的读取->改变->写回有可能被别的指令打断,从而使得对变量的操作出现意想不到的结果(回想一下volatile的作用)。所以,从这一点来说,想要通过全局变量来进行同步并不靠谱。

信号量可以用来代替全局变量的功能用来对代码进行同步。信号量是一种特殊的变量,它的本质是一个非负的整数计算器,用来控制对公共资源的访问。对信号量的操作都是原子操作,编程时可根据操作信号量的值的结果来判断是否对公共资源具有访问权限,当信号量值大于0时,则可以访问资源,否则将阻塞。

信号量只可以进行两种操作,称为PV原语,一次P操作使信号量值减1,一次V操作使信号量加1。当信号量是一个二值信号量,即只能取0和1时,程序就可以通过对检查对信号量的P操作是否成功来判断资源是否可用,而对信号量进行V操作就可以确保自己一定是在独占该资源。以下是使用二值信号量来保证临界区被独占式访问的伪代码和示意图:

semaphore sv = 1;
loop forever{
P(sv);
临界区代码
V(sv);
非临界区代码
}

进程间通信-消息队列、信号量 - 第1张  | rs232的博客

POSIX信号量

#include <semaphore.h>

编译时需要加 -lpthread选项

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

功能:
创建一个信号量并初始化它的值。
参数:
sem:信号量地址
pshared:等于0时信号量在线程间共享,不等于0时,信号量在进程间共享。
value:信号量的初始值
返回值:
成功返回0,失败返回-1

int sem_wait(sem_t *sem);

功能:
将信号量的值减1,若信号量的值小于0,则此函数会引起调用者阻塞
参数
sem:信号量地址
返回值:
成功返回0,失败返回-1

int sem_trywait(sem_t *sem);

功能:
将信号量的值减1,若信号量值小于0,则对信号操作失败,函数立即返回。
参数:
sem:信号量地址
返回值:
成功返回0,失败返回-1

int sem_post(set_t *sem);

功能:
将信号量的值加1并发出信号唤醒等待线程
参数:
sem:信号量地址
返回值:
成功返回0,失败返回-1

int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);

功能:
获取sem标识的信号量的值,保存在sval中
参数:
sem:信号量地址
sval:保存信号量值的地址
返回值:
成功返回0,失败返回-1

int sem_destroy(sem_t *sem);

功能:
删除sem标识的信号量
参数:
sem:信号量地址
返回值:
成功返回0,失败返回-1

sem_t *sem_open(const char *name, int oflag);
sem_t *sem_open(const char *name, into flag, mode_t mode, unsigned int value);

功能:
创建一个有名信号量,用于在进程间通信。
参数:
name:信号量文件名
oflag:当打开存在的信号量时,oflags写0.当打开不存在的信号量时,使用O_CREAT参数
mode:信号文件权限(可读、可写、可执行)的设置
value:信号量的初始值。
参数:
成功返回信号量地址,失败返回SEM_FAILED。

int sem_close(sem_t *sem)

功能:
关闭信号量
参数:
sem:指向信号量的指针
返回值:
成功返回0,失败返回-1

int sem_unlink(const char *name)

功能:
删除信号量文件
参数:
name:信号量文件名
返回值:
成功返回0,失败返回-1
示例:sem_posix.c

最后编辑:
作者:rs232
这个作者貌似有点懒,什么都没有留下。