IO进程——共享内存、信号灯集、消息队列

最新推荐文章于 2025-07-18 14:21:06 发布

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#算法 #linux #c++ #开发语言

一、共享内存

1、概念

共享内存是指操作系统在物理内存中申请一块空间，应用程序可以映射到这块空间，从而直接进行读写操作。

2、特点

1）共享内存是一种最为高效的进程间通信方式，进程可以直接读写内存，而不需要任何数据的拷贝

2）为了能够在多个进程之间交换信息，内核专门留出了一块内存区，可以由需要访问的进程将其映射到自己的私有地址空间

3）进程可以直接读写这个内存区而不需要进行数据拷贝，从而大大提升效率

4）由于多个进程共享一段内存，因此也需要依靠某种同步机制，例如：互斥锁和信号量

3、步骤

1）创建一个唯一key值

2）创建或打开共享内存 //ftok

3）映射共享内存

4）取消映射

5）删除共享内存

4、函数接口

1）创建key值

#include<sys/types.h>
#inclued<sys/pic.h>
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
功能：创建key值
参数：pathname：文件名
       proj_id：取整型数的低8位数值  //一般为'a'
返回值：成功：key值
       失败：-1

示例：

#include<sys/pci.h>
#include<sys/types.h>
#include<stdio.h>
int main()
{
    key_t key;  //定义变量
    key=ftok("./aa",'a');//创建key值
    if(key<0)//若打开失败
    {
        perror("ftok err\n");
        return-1;
    }
    printf("%#x\n",key);//输出key值
    return 0;
}

2）创建共享内存

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
功能：创建或打开共享内存
参数：
    key  键值
    size   共享内存的大小
                创建       检测错误
    shmflg   IPC_CREAT|IPC_EXCL|0777  创建共享内存的时候的权限
返回值：成功   shmid  共享内存的id
      出错    -1

查看创建的共享内存命令：ipcs -m

示例：

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/shm.h>
#include <errno.h>
int main()
{
    key_t key;
    key = ftok("./aa", 'a');
    if (key < 0)
    {
        perror("ftok err\n");
        return -1;
    }
    printf("%#x\n", key);
    int shmid;
    shmid = shmget(key, 64, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666); // 创建或打开共享内存
    if (errno == EEXIST)                                  // 文件已存在
    {
        printf("file exists\n");
        shmid = shmget(key, 64, 0666); // 重新打开共享内存
    }
    else
    {
        perror("shmget err");
        return -1;
    }
    printf("%d\n",shmid);
    return 0;
}

4）映射共享内存

void  *shmat(int  shmid,const  void  *shmaddr,int  shmflg);
功能：映射共享内存，即把指定的共享内存映射到进程的地址空间用于访问
参数：
    shmid   共享内存的id号
    shmaddr   一般为NULL，表示由系统自动完成映射
              如果不为NULL，那么有用户指定
    shmflg：SHM_RDONLY就是对该共享内存只进行读操作
                0     可读可写
返回值：成功：完成映射后的地址，
      出错：(void *)-1的地址

示例：

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/shm.h>
#include <errno.h>
#include<string.h>
int main()
{
    key_t key;
    key = ftok("./aa", 'a');
    if (key < 0)
    {
        perror("ftok err\n");
        return -1;
    }
    printf("%#x\n", key);
    int shmid;
    shmid = shmget(key, 64, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666); // 创建或打开共享内存
    if (errno == EEXIST)                                  // 文件已存在
    {
        printf("file exists\n");
        shmid = shmget(key, 64, 0666); // 重新打开共享内存
    }
    else
    {
        perror("shmget err");
        return -1;
    }
    printf("%d\n",shmid);//打印共享内存id号
    char *p=shmat(shmid,NULL,0);//映射共享内存
    if(p==(void*)-1)
    {
        perror("shmat err");
        return-1;
    }
    strcpy(p,"jijijiji");//向内存中存放数据
    printf("%s\n",p);
    return 0;
}

4）取消映射

int shmdt(const void *shmaddr);
功能：取消映射
参数：要取消的地址
返回值：成功0  
      失败的-1

示例：

  shmdt(p);//取消映射
    getchar();//阻塞
    return 0;

5）删除共享内存

int  shmctl(int  shmid,int  cmd,struct  shmid_ds   *buf);
功能：(删除共享内存)，对共享内存进行各种操作
参数：
    shmid   共享内存的id号
    cmd     IPC_STAT 获得shmid属性信息，存放在第三参数
            IPC_SET 设置shmid属性信息，要设置的属性放在第三参数
            IPC_RMID:删除共享内存，此时第三个参数为NULL即可
 struct  shmid_ds   *buf：是一个结构体指针，但我们是删除共享内存，所以并没有意义，我们直接设置为NULL就可以了
返回：成功0 
     失败-1

5、操作命令

ipcs -m：查看系统中国创建的共享内存

ipcrm -m [shmid]：删除创建的共享内存

二、信号灯集

1、概念

信号灯也被称为信号量。它是不同进程之间或者给定进程内部不同的线程间同步的机制。

System V 信号灯集是一个或者多个信号灯的集合。其中每一个都是单独的计数信号灯。而Posix信号灯指的是单个计数信号灯。

通过信号灯可以实现共享内存的同步操作。

2、操作步骤

1）创建key值 //同上

2）创建或打开信号灯集

3）初始化信号灯集

4）pv操作

5）删除信号灯集

3、函数接口

1）创建或打开信号灯集

#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
功能：创建/打开信号灯
参数：key：ftok产生的key值
    nsems：信号灯集中包含的信号灯数目
    semflg：信号灯集的访问权限，通常为IPC_CREAT |0666
返回值：成功：信号灯集ID
       失败：-1

示例：

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/sem.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<errno.h>
int main()
{
    key_t key;
    int semid;
    key=ftok("./aa",'a');//创建key值
    if(key<0)
    {
        perror("ftok err\n");
        return -1;
    }
    semid=semget(key,2,IPC_CREAT|0666);//创建信号灯集，数目为2
    if(semid<0)
    {
        perror("semget err \n");
        return -1;
    }
    printf("%d\n",semid);//返回信号灯集ID
}

2）初始化或者删除信号灯集

int semctl ( int semid, int semnum,int cmd，…/*union semun arg*/);
功能：信号灯集合的控制（初始化/删除）
参数：semid：信号灯集ID
    semnum: 要操作的集合中的信号灯编号
     cmd：
        GETVAL：获取信号灯的值，返回值是获得值
        SETVAL：设置信号灯的值，
        IPC_RMID：从系统中删除信号灯集合
    ...:当cmd为SETVAL时，需要传递共用体
返回值：成功 0
      失败 -1
共用体格式：
    union semun {
       int              val;    /* 信号量的初值 */
       struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
       unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */
       struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO
                                           (Linux-specific) */
    };

示例：

ys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <errno.h>
union semun
{
    int val;
};
int main()
{
    key_t key;
    int semid;
    key = ftok("./aa", 'a');
    if (key < 0)
    {
        perror("ftok err\n");
        return -1;
    }
    semid = semget(key, 2, IPC_CREAT | 0666);
    if (semid < 0)
    {
        perror("semget err \n");
        return -1;
    }
    else
    {//初始化只需要在创建时进行初始化即可，避免重复初始化
        union semun sem;
        sem.val = 10;
        semctl(semid, 0, SETVAL, sem);//初始化第一个信号灯
        sem.val = 0;
        semctl(semid, 1, SETVAL, sem);//第二个
    }
    printf("%d\n", semctl(semid, 0, GETVAL));
    printf("%d\n", semctl(semid, 1, GETVAL));
}

补充：当cmd为SETVAL时，需要传递第四个参数，类型为共用体

用法：

union semun {
    int val;
};
union semun sem;
sem.val = 10;
semctl(semid, 0, SETVAL, sem); //对编号为0的信号灯设置初值为10

3）pv操作

int semop ( int semid, struct sembuf  *opsptr,  size_t  nops);
功能：对信号灯集合中的信号量进行PV操作
参数：semid：信号灯集ID
     opsptr:操作方式
     nops:  要操作的信号灯的个数 1个
返回值：成功 ：0
      失败：-1
struct sembuf {
   short  sem_num; // 要操作的信号灯的编号
   short  sem_op;  //    0 :  等待，直到信号灯的值变成0
                   //   1  :  释放资源，V操作
                   //   -1 :  分配资源，P操作                    
    short  sem_flg; // 0（阻塞）,IPC_NOWAIT, SEM_UNDO
};

示例：

使用：

申请资源 P操作：

mysembuf.sem_num = 0;

mysembuf.sem_op = -1;

mysembuf.sem_flg = 0;

semop(semid, &mysembuf, 1);

释放资源 V操作：

mysembuf.sem_num = 0;

mysembuf.sem_op = 1;

mysembuf.sem_flg = 0;

semop(semid, &mysembuf, 1);

封装函数：使代码更加美观

4、操作命令

ipcs -s ：查看创建的信号灯集

ipcrm -s [semid]：删除信号灯集

三、消息队列

1、特点

1）消息队列就是一个消息的列表。用户可以在消息队列中添加消息、读取消息等。

2）消息队列可以按照类型来发送/接收消息

3）在linux下消息队列的大小有限制。

消息队列个数最多为16个；
消息队列总容量最多为16384字节；
每个消息内容最多为8192字节。

2、操作步骤

1）创建key值

2）创建或打开消息队列

3）添加消息

4）读取消息

5）删除消息队列

3、函数接口

1）创建消息队列

#include <sys/msg.h>

int msgget(key_t key, int flag);
功能：创建或打开一个消息队列
参数：  key值
       flag：创建消息队列的权限IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666
返回值：成功：msgid
       失败：-1

示例：

2）添加消息

int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t size, int flag); 
功能：添加消息
参数：msqid：消息队列的ID
      msgp：指向消息的指针。常用消息结构msgbuf如下：
          struct msgbuf{
            long mtype;        //消息类型
            char mtext[N]}；   //消息正文
          }
   size：发送的消息正文的字节数
   flag：IPC_NOWAIT消息没有发送完成函数也会立即返回    
         0：直到发送完成函数才返回  (阻塞)
返回值：成功：0
      失败：-1

示例：

3）读取消息

int msgrcv(int msgid,  void* msgp,  size_t  size,  long msgtype,  int  flag);
功能：读取消息
参数：msgid：消息队列的ID
     msgp：存放读取消息的空间
     size：接受的消息正文的字节数
    msgtype：0：接收消息队列中第一个消息。
            大于0：接收消息队列中第一个类型为msgtyp的消息.
            小于0：接收消息队列中类型值不小于msgtyp的绝对值且类型值又最小的消息。
     flag：0：若无消息函数会一直阻塞
        IPC_NOWAIT：若没有消息，进程会立即返回ENOMSG
返回值：成功：接收到的消息的长度
      失败：-1

示例：

4）删除消息队列

int msgctl ( int msgqid, int cmd, struct msqid_ds *buf );
功能：对消息队列的操作，删除消息队列
参数：msqid：消息队列的队列ID
     cmd：
        IPC_STAT：读取消息队列的属性，并将其保存在buf指向的缓冲区中。
        IPC_SET：设置消息队列的属性。这个值取自buf参数。
        IPC_RMID：从系统中删除消息队列。
     buf：消息队列缓冲区
返回值：成功：0
      失败：-1