systemV信号量与消息队列-优快云博客

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引言

在复杂的软件系统中，进程间的协调和通信是确保系统高效、稳定运行的关键。System V是一套历史悠久且功能强大的进程间通信（IPC）机制，它为Unix和类Unix操作系统提供了多种通信手段，其中包括信号量和消息队列。这两种机制各自以其独特的方式，为进程间的同步和数据传递提供了可靠的解决方案。本文将引入System V信号量和消息队列的概念，探讨它们在进程同步和通信中的作用，以及它们在现代软件开发中的应用场景和优势。通过深入了解这些经典IPC工具的工作原理和使用方法，开发者能够更好地构建高并发、高可靠性的系统应用。

ipc简介

IPC（Inter-Process Communication，进程间通信）是在多任务操作系统中，不同进程之间进行数据交换和同步的一种机制。在Linux系统中，有多种IPC方法，每种方法都有其特定的用途和优缺点。

以下是一些常见的Linux IPC机制：

管道（Pipes）和命名管道（FIFOs）：

无名管道：只允许具有亲缘关系的进程之间通信，如父子进程。

命名管道：也称为FIFO，可以在任意两个进程之间进行通信。

信号（Signals）：

信号是一种较为简单的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生。

消息队列（Message Queues）：

消息队列允许一个或多个进程写入或读取数据，这些数据以消息为单位进行传输。

共享内存（Shared Memory）：

允许多个进程共享一段内存区域，是最快的IPC方式，但需要同步机制（如信号量）来避免竞态条件。

信号量（Semaphores）：

主要用于同步，确保多个进程可以安全地访问共享资源。

套接字（Sockets）：

提供了在不同主机上的进程间进行双向通信的能力，支持网络通信。

每种IPC机制都有其适用场景和限制：

管道和命名管道：适合于字节流数据的简单通信。

信号：通常用于通知，而不是传输大量数据。

消息队列：提供了有序、可靠的数据传输，但速度不如共享内存。

共享内存：适用于需要高速数据交换的场景，但需要谨慎处理同步问题。

信号量：用于同步，而不是数据传输。

套接字：适合于分布式系统中的进程间通信。

选择合适的IPC机制取决于具体的应用需求，包括通信的数据量、通信频率、通信的可靠性要求以及通信双方的关系等因素。在使用这些机制时，需要考虑同步、互斥、死锁和竞态条件等问题，以确保数据的一致性和系统的稳定性。

ipc在kernel的管理机制（简介）

每一个systemV的数据结构（信号量、共享内存、消息队列），都有一个shmid_ds的数据结构去描述他的属性，这些被组织在一个队列中，可以通过指针强转解引用去找到perm属性中的key，从而找到特定的数据结构。

信号量

基础知识

这就是因为多个进程共同抢夺唯一当临界资源--显示器。

因为显示器也是一种共享资源，但是没有被设置为临界资源。

理解信号量

我们可以引入一个计数器cnt--，表示申请资源。

核心：先去申请信号量去预订资源

这是因为进程在执行的时候可以在任意时刻被切换。

原子

技术角度：只有一条汇编语句，就是原子的

结论

多个信号量和信号量是几是不同的概念。

mmap

在使用 mmap 处理大文件时，你首先需要映射文件，然后就可以通过访问映射后的内存区域来间接访问文件内容，而不是使用传统的文件读写接口（如 read、write、fread、fwrite 等）。这种方式可以显著提高大文件操作的效率。

#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    int fd;
    void *map;
    struct stat sb;

    fd = open(argv[1], O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("Error opening file");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (fstat(fd, &sb) == -1) {  /* To obtain file size */
        perror("Error fstat");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    map = mmap(NULL, sb.st_size, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
    if (map == MAP_FAILED) {
        perror("Error mmap");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 使用映射的内存区域...

    if (munmap(map, sb.st_size) == -1) {
        perror("Error munmap");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    close(fd);
    return 0;
}

消息队列

消息队列(Message Queue)是一种进程间通信(IPC)机制，它允许一个或多个进程(生产者)将消息发送到一个队列中，而其他进程(消费者)可以从中读取这些消息。消息队列提供了一种异步的通信方式，即发送消息的进程在发送消息后可以继续执行，不需要等待接收进程确认接收。
以下是消息队列的一些关键特点和解释:
1.消息存储:消息队列由内核维护，它存储了一系列的消息。每个消息通常包含一个类型和数据部分，数据部分可以是任意长度的字节序列。
2. 异步通信:生产者和消费者不需要同时在线。生产者可以在任何时间点将消息放入队列，消费者可以在任何时间点从队列中取出消息.
3.消息顺序:消息队列通常保证消息的顺序，即先入先出(FIFO)。第一个被放入队列的消息将是第一个被取出的消息。
4.系统资源:消息队列是系统资源，通常由操作系统内核管理。它们有唯一的标识符，可以通过这个标识符被进程访问。
5.同步和互斥:内核通常会处理消息队列的同步和互斥问题，确保多个进程可以安全地访问消息队列而不会发生冲突。

6.消息传递模式:
点对点模式:一个消息队列只能由一个消费者接收，即消息从生产者发送到单个消费者
。发布/订阅模式:多个消费者可以订阅同一个消息队列，每个消费者都可以接收到队列中的消息。

消息队列的使用步骤通常包括以下几个阶段:
创建消息队列:在使用消息队列之前，需要创建一个消息队列，并获取其标识符。
发送消息:生产者进程将消息发送到消息队列中。如果队列已满，发送操作可能会阻塞，直到队列中有空间。
接收消息:消费者进程从消息队列中读取消息。如果队列为空，接收操作可能会阻塞，直到队列中有消息。
删除消息队列:当消息队列不再使用时，可以将其删除以释放系统资源。