第六章 消息管理
前 言
Linux 下的进程通信(IPC)
POSIX 无名信号量
System V 信号量
System V 消息队列
System V 共享内存
1.POSIX 无名信号量
如果你学习过操作系统,那么肯定熟悉PV 操作了.PV 操作是原子操作.也就是操作是不
可以中断的,在一定的时间内,只能够有一个进程的代码在 CPU 上面执行.在系统当中,有时候为了顺利的使用和保护共享资源,大家提出了信号的概念. 假设我们要使用一台打印机,如果在同一时刻有两个进程在向打印机输出,那么最终的结果会是什么呢.为了处理这种情况,POSIX 标准提出了有名信号量和无名信号量的概念,由于 Linux 只实现了无名信号量,我们在这里就只是介绍无名信号量了. 信号量的使用主要是用来保护共享资源,使的资源在一个时刻只有一个进程所拥有.为此我们可以使用一个信号灯.当信号灯的值为某个值的时候,就表明此时资源不可以使用.否则就表>;示可以使用.
为了提供效率,系统提供了下面几个函数
POSIX 的无名信号量的函数有以下几个：
#include <semaphore.h>;
int sem_init(sem_t *sem,int pshared,unsigned int value); int sem_destroy(sem_t *sem);
int sem_wait(sem_t *sem); int sem_trywait(sem_t *sem); int sem_post(sem_t *sem);
int sem_getvalue(sem_t *sem);
sem_init 创建一个信号灯,并初始化其值为 value.pshared 决定了信号量能否在几个进程间共享.由于目前 Linux 还没有实现进程间共享信号灯,所以这个值只能够取 0. sem_dest
roy 是用来删除信号灯的.sem_wait 调用将阻塞进程,直到信号灯的值大于 0.这个函数返回的时候自动的将信号灯的值的件一.sem_post 和 sem_wait 相反,是将信号灯的内容加一同时发出信号唤醒等待的进程..sem_trywait 和 sem_wait 相同,不过不阻塞的,当信号灯的值为 0 的时候返回 EAGAIN,表示以后重试.sem_getvalue 得到信号灯的值.
由于 Linux 不支持,我们没有办法用源程序解释了.
这几个函数的使用相当简单的.比如我们有一个程序要向一个系统打印机打印两页.我们首先创建一个信号灯,并使其初始值为 1,表示我们有一个资源可用.然后一个进程调用 se
m_wait 由于这个时候信号灯的值为 1,所以这个函数返回,打印机开始打印了,同时信号灯的值为 0 了. 如果第二个进程要打印,调用 sem_wait 时候,由于信号灯的值为 0,资源不可用,于是被阻塞了.当第一个进程打印完成以后,调用 sem_post 信号灯的值为 1 了,这个时候系统通知第二个进程,于是第二个进程的 sem_wait 返回.第二个进程开始打印了.
不过我们可以使用线程来解决这个问题的.我们会在后面解释什么是线程的.编译包含上面这几个函数的程序要加上 -lrt 选贤,以连接 librt.so 库
2．System V 信号量
为了解决上面哪个问题,我们也可以使用 System V 信号量.很幸运的
是 Linux 实现了 System V 信号量.这样我们就可以用实例来解释了. System V 信号量的函数主要有下面几个.
#include <sys/types.h>;
#include <sys/ipc.h>;
#include <sys/sem.h>;
key_t ftok(char *pathname,char proj);
int semget(key_t key,int nsems,int semflg);
int semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun arg); int semop(int semid,struct sembuf *spos,int nspos);
struct sembuf {
short sem_num; /* 使用那一个信号 */ short sem_op; /* 进行什么操作 */ short sem_flg; /* 操作的标志 */
};
ftok 函数是根据 pathname 和 proj 来创建一个关键字.semget 创建一个信号量.成功时返回 信号的 ID,key 是一个关键字,可以是用 ftok 创建的也可以是 IPC_PRIVATE 表明由系统选用一个关键字. nsems 表明我们创建的信号个数.semflg 是创建的权限标志,和我们创建一个
文件的标志相同.
semctl 对信号量进行一系列的控制.semid 是要操作的信号标志,semnum 是信号的个数,cm
d 是操作的命令.经常用的两个值是：SETVAL(设置信号量的值)和 IPC_RMID(删除信号灯).
arg 是一个给 cmd 的参数.
semop 是对信号进行操作的函数.semid 是信号标志,spos 是一个操作数组表明要进行什么操作,nspos 表明数组的个数. 如果 sem_op 大于 0,那么操作将 sem_op 加入到信号量的值中
,并唤醒等待信号增加的进程. 如果为 0,当信号量的值是 0 的时候,函数返回,否则阻塞直 到信号量的值为 0. 如果小于 0,函数判断信号量的值加上这个负值.如果结果为 0 唤醒等待
信号量为 0 的进程,如果小与 0 函数阻塞.如果大于 0,那么从信号量里面减去这个值并返回
..
下面我们一以一个实例来说明这几个函数的使用方法.这个程序用标准错误输出来代替我们用的打印机.
#include <stdio.h>;
#include <unistd.h>;
#include <limits.h>;
#include <errno.h>;
#include <string.h>;
#include <stdlib.h>;
#include <sys/stat.h>;
#include <sys/wait.h>;
#include <sys/ipc.h>;
#include <sys/sem.h>;
#define PERMS S_IRUSR|S_IWUSR
void init_semaphore_struct(struct sembuf *sem,int semnum, int semop,int semflg)
{
/* 初始话信号灯结构 */
sem->;sem_num=semnum; sem->;sem_op=semop; sem->;sem_flg=semflg;
}
int del_semaphore(int semid)
{
/* 信号灯并不随程序的结束而被删除,如果我们没删除的话(将 1 改为 0)
可以用 ipcs 命令查看到信号灯,用 ipcrm 可以删除信号灯的
*/
#if 1
return semctl(semid,0,IPC_RMID);
#endif
}
int main(int argc,char **argv)
{
char buffer[MAX_CANON],*c; int i,n;
int semid,semop_ret,status; pid_t childpid;
struct sembuf semwait,semsignal; if((argc!=2)||((n=atoi(argv[1]))<1))
{
fprintf(stderr,"Usage：%s number\n\a",argv[0]); exit(1);
}
/* 使用 IPC_PRIVATE 表示由系统选择一个关键字来创建 */
/* 创建以后信号灯的初始值为 0 */ if((semid=semget(IPC_PRIVATE,1,PERMS))==-1)
{
fprintf(stderr,"[%d]：Acess Semaphore Error：%s\n\a", getpid(),strerror(errno));
exit(1);
}
/* semwait 是要求资源的操作(-1) */ init_semaphore_struct(&semwait,0,-1,0);
/* semsignal 是释放资源的操作(+1) */ init_semaphore_struct(&semsignal,0,1,0);
/* 开始的时候有一个系统资源(一个标准错误输出) */ if(semop(semid,&semsignal,1)==-1)
{
fprintf(stderr,"[%d]：Increment Semaphore Error：%s\n\a", getpid(),strerror(errno));
if(del_semaphore(semid)==-1) fprintf(stderr,"[%d]：Destroy Semaphore Error：%s\n\a",
getpid(),strerror(errno)); exit(1);
}
/* 创建一个进程链 */ for(i=0;i<n;i++) if(childpid=fork()) break;
sprintf(buffer,"[i=%d]-->;[Process=%d]-->;[Parent=%d]-->;[Child=%d]\n", i,getpid(),getppid(),childpid);
c=buffer;
/* 这里要求资源,进入原子操作 */ while(((semop_ret=semop(semid,&semwait,1))==-1)&&(errno==EINTR)); if(semop_ret==-1)
{
fprintf(stderr,"[%d]：Decrement Semaphore Error：%s\n\a", getpid(),strerror(errno));
}
else
{
while(*c!='\0')fputc(*c++,stderr);
/* 原子操作完成,赶快释放资源 */ while(((semop_ret=semop(semid,&semsignal,1))==-1)&&(errno==EINTR)); if(semop_ret==-1)
fprintf(stderr,"[%d]：Increment Semaphore Error：%s\n\a", getpid(),strerror(errno));
}
/* 不能够在其他进程反问信号灯的时候,我们删除了信号灯 */ while((wait(&status)==-1)&&(errno==EINTR));
/* 信号灯只能够被删除一次的 */ if(i==1)
if(del_semaphore(semid)==-1) fprintf(stderr,"[%d]：Destroy Semaphore Error：%s\n\a", getpid(),strerror(errno));
exit(0);
}
信号灯的主要用途是保护临界资源(在一个时刻只被一个进程所拥有).
3．SystemV 消息队列
为了便于进程之间通信,我们可以使用管道通信 SystemV 也提供了
一些函数来实现进程的通信.这就是消息队列.
#include <sys/types.h>;
#include <sys/ipc.h>;
#include <sys/msg.h>;
int msgget(key_t key,int msgflg);
int msgsnd(int msgid,struct msgbuf *msgp,int msgsz,int msgflg); int msgrcv(int msgid,struct msgbuf *msgp,int msgsz,
long msgtype,int msgflg);
int msgctl(Int msgid,int cmd,struct msqid_ds *buf);
struct msgbuf {
long msgtype; /* 消息类型 */
....... /* 其他数据类型 */
}
msgget 函数和 semget 一样,返回一个消息队列的标志.msgctl 和 semctl 是对消息进行控制
.. msgsnd 和 msgrcv 函数是用来进行消息通讯的.msgid 是接受或者发送的消息队列标志.
msgp 是接受或者发送的内容.msgsz 是消息的大小. 结构 msgbuf 包含的内容是至少有一个为 msgtype.其他的成分是用户定义的.对于发送函数 msgflg 指出缓冲区用完时候的操作. 接受函数指出无消息时候的处理.一般为 0. 接收函数 msgtype 指出接收消息时候的操作.
如果 msgtype=0,接收消息队列的第一个消息.大于 0 接收队列中消息类型等于这个值的第一个消息.小于 0 接收消息队列中小于或者等于 msgtype 绝对值的所有消息中的最小一个消息. 我们以一个实例来解释进程通信.下面这个程序有 server 和 client 组成.先运行服务
端后运行客户端.服务端 server.c
#include <stdio.h>;
#include <string.h>;
#include <stdlib.h>;
#include <errno.h>;
#include <unistd.h>;
#include <sys/types.h>;
#include <sys/ipc.h>;
#include <sys/stat.h>;
#include <sys/msg.h>;
#define MSG_FILE "server.c"
#define BUFFER 255
#define PERM S_IRUSR|S_IWUSR struct msgtype {
long mtype;
char buffer[BUFFER+1];
};
int main()
{
struct msgtype msg; key_t key;
int msgid;
if((key=ftok(MSG_FILE,'a'))==-1)
{
fprintf(stderr,"Creat Key Error：%s\a\n",strerror(errno)); exit(1);
}
if((msgid=msgget(key,PERM|IPC_CREAT|IPC_EXCL))==-1)
{
fprintf(stderr,"Creat Message Error：%s\a\n",strerror(errno)); exit(1);
}
while(1)
{
msgrcv(msgid,&msg,sizeof(struct msgtype),1,0); fprintf(stderr,"Server Receive：%s\n",msg.buffer); msg.mtype=2;
msgsnd(msgid,&msg,sizeof(struct msgtype),0);
}
exit(0);
}
----------------------------------------------------------------------------
----
客户端(client.c)
#include <stdio.h>;
#include <string.h>;
#include <stdlib.h>;
#include <errno.h>;
#include <sys/types.h>;
#include <sys/ipc.h>;
#include <sys/msg.h>;
#include <sys/stat.h>;
#define MSG_FILE "server.c"
#define BUFFER 255
#define PERM S_IRUSR|S_IWUSR struct msgtype {
long mtype;
char buffer[BUFFER+1];
};
int main(int argc,char **argv)
{
struct msgtype msg; key_t key;
int msgid; if(argc!=2)
{
fprintf(stderr,"Usage：%s string\n\a",argv[0]); exit(1);
}
if((key=ftok(MSG_FILE,'a'))==-1)
{
fprintf(stderr,"Creat Key Error：%s\a\n",strerror(errno)); exit(1);
}
if((msgid=msgget(key,PERM))==-1)
{
fprintf(stderr,"Creat Message Error：%s\a\n",strerror(errno)); exit(1);
}
msg.mtype=1; strncpy(msg.buffer,argv[1],BUFFER); msgsnd(msgid,&msg,sizeof(struct msgtype),0); memset(&msg,'\0',sizeof(struct msgtype)); msgrcv(msgid,&msg,sizeof(struct msgtype),2,0);
fprintf(stderr,"Client receive：%s\n",msg.buffer); exit(0);
}
注意服务端创建的消息队列最后没有删除,我们要使用 ipcrm 命令来删除的.
4．SystemV 共享内存
还有一个进程通信的方法是使用共享内存.SystemV 提供了以下几个函数以实现共享
内存.
#include <sys/types.h>;
#include <sys/ipc.h>;
#include <sys/shm.h>;
int shmget(key_t key,int size,int shmflg);
void *shmat(int shmid,const void *shmaddr,int shmflg); int shmdt(const void *shmaddr);
int shmctl(int shmid,int cmd,struct shmid_ds *buf);
shmget 和 shmctl 没有什么好解释的.size 是共享内存的大小. shmat 是用来连接共享内存的.shmdt 是用来断开共享内存的.不要被共享内存词语吓倒,共享内存其实很容易实现和使用的.shmaddr,shmflg 我们只要用 0 代替就可以了.在使用一个共享内存之前我们调用 s
hmat 得到共享内存的开始地址,使用结束以后我们使用 shmdt 断开这个内存.
#include <stdio.h>;
#include <string.h>;
#include <errno.h>;
#include <unistd.h>;
#include <sys/stat.h>;
#include <sys/types.h>;
#include <sys/ipc.h>;
#include <sys/shm.h>;
#define PERM S_IRUSR|S_IWUSR int main(int argc,char **argv)
{
int shmid;
char *p_addr,*c_addr; if(argc!=2)
{
fprintf(stderr,"Usage：%s\n\a",argv[0]); exit(1);
}
if((shmid=shmget(IPC_PRIVATE,1024,PERM))==-1)
{
fprintf(stderr,"Create Share Memory Error：%s\n\a",strerror(errno)); exit(1);
}
if(fork())
{
p_addr=shmat(shmid,0,0); memset(p_addr,'\0',1024); strncpy(p_addr,argv[1],1024); exit(0);
}
else
{
c_addr=shmat(shmid,0,0); printf("Client get %s",c_addr); exit(0);
}
}
这个程序是父进程将参数写入到共享内存,然后子进程把内容读出来.最后我们要使用 ip
crm 释放资源的.先用 ipcs 找出 ID 然后用 ipcrm shm ID 删除.
后 记
进程通信(IPC)是网络程序的基础,在很多的网络程序当中会大量的使用进程通信的概
念和知识.其实进程通信是一件非常复杂的事情,我在这里只是简单的介绍了一下.如果你想学习进程通信的详细知识,最好的办法是自己不断的写程序和看联机手册.现在网络上有 了很多的知识可以去参考.可惜我看到的很多都是英文编写的.如果你找到了有中文的版 本请尽快告诉我.谢谢!