Linux中的System V通信标准--共享内存、消息队列以及信号量

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关于 System V 标准，一共有三种通信方式，分别为：共享内存、信号量和消息队列三种通信方式。本篇将较为详细的讲解三种通信方式的实现原理，以及介绍在 Linux 系统下调用这三种的通信方式的接口，其中以共享内存为例，较为详细的讲解和用代码实现这种通信方式。

最后我们得出这三种通信方式存在很大的共同点，以及总结了操作系统对这三种通信方式的管理。目录如下：

目录

共享内存

1. 实现原理

2. 代码实现进程的共享内存通信

共享内存的创建

共享内存的释放

共享内存挂接

共享内存间通信代码

3. 共享内存的优缺点

4. 获取共享内存的属性

消息队列

1. 消息队列的原理

2. 消息队列的接口

3. 消息队列的指令操作

信号量

1. 信号量的原理

2. 信号量的操作

3. 信号量的指令

操作系统对三种 System V 的管理

共享内存

1. 实现原理

共享内存为进程间通信方案，则一定会遵守进程间通信的的原则：让不同进程看见同一份资源。对于共享内存的实现原理为：操作系统会在物理内存中专门给需要通信的进程开辟一段物理内存，然后分别映射到不同进程的虚拟地址中，不同的进程就可以看到同一份的内存资源。原理图如下：

如上的步骤1：操作系统在物理内存中开辟出同于共享内存通信的物理内存；

步骤2：操作系统将物理共享内存通过页表映射到对应的虚拟地址中去。

共享内存实现的几个关键点：

1. 关于实现共享内存的所有操作，都是由OS（操作系统）完成的；

2. OS给需要共享内存通信的进程提供步骤1、2的系统调用，让他们通过系统调用来通信。

3. 共享内存在系统中可以同时存在多份，不同对进程之间可以同时进行通信。

4. 操作系统需要对共享内存进行管理，所以会有对应的共享内存数据结构，以及匹配的算法。

5. 共享内存 = 内存空间 + 共享内存的属性。

2. 代码实现进程的共享内存通信

共享内存的创建

关于使用系统调用实现共享内存的一个重要的系统调用，shmget，也就是用来获取在物理内存中的共享内存，使用方法如下：
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
系统调用中的参数：
    key：用于唯一的表示物理内存中存在的共享内存；
    size：需要开辟的物理内存的大小，通常建议为4096的倍数
    shmflg：获取共享内存的方式，常用的为IPC_EXCL 和 IPC_CREAT，
            关于这两个的搭配有：
            IPC_CREAT：若不存在共享内存则创建，存在则获取对应的共享内存且返回
                       总能获取一个
            IPC_EXCL：不能单独的使用
            IPC_CREAT | IPC_EXCL：对应的共享内存不存在则创建，存在则出错返回
                                  只能获取新的
关于在 shmget 中的 key 参数，不同的进程想要进程通信，则填入的 key 值则需要相同，对于这个 key 值，我们一般不建议直接由我们自己来填，而是建议使用系统提供的 ftok 函数给我们随机生成一个，如下：
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
只需要提供同样的 pathname 和同样的 proj_id，我们就可以生成同样的 key 值，也就可以让不同的进程之间实现通信。

共享内存的释放

还有一个需要注意的点：我们使用进程创建出的共享内存，并不会随着进程的结束而释放，进程结束仍然会保留在内存中，因为这是由底层的操作系统创建出的共享内存，所以我们需要在每一次进程结束的时候，将对应的共享内存关闭，防止内存泄漏。（共享内存的生命周期随内核，文件的生命周期随进程）

我们可以使用 ipcs -m 查看当前系统中存在哪些共享内存，然后使用 ipcrm -m shmid 删除对应的共享内存，如下：

共享内存的 key 与 shmid 的比较：

key：属于用户形成，内核使用的一个字段，内核用于区分共享内存的唯一性，用户不能使用 key 来进行共享内存的管理。

shmid：内核给用户返回的一个标识符，用来进行用户级对共享内存进行管理的 id 值。

使用系统调用删除共享内存为 shmctl，如下：
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
该系统调用用于对共享内存的控制，可以为增删查改
但本篇只需要将共享内存释放，所以只需要填入的参数为：
共享内存的shmid
选择模式，删除为 IPC_RMID
buf 为 nullptr

共享内存挂接

现在我们既然已经创建出对应的共享内存，只需要将共享内存挂接到对应的共享内存，然后就可以让对应进程之间开始通信了，如下：
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
用于挂接共享内存
shmaddr表示将挂接共享内存的位置，通常可以设置为nullptr
shmflg表示共享内存的访问权限
shmat的返回值：挂接成功为共享内存的起始地址，连接失败为nullptr

int shmdt(const void *shmaddr);
用于将挂接上的共享内存给去掉
去挂接成功返回0，失败返回-1

共享内存间通信代码

Shm.hpp

#include <iostream>
#include <string>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>

// 路径，随便使用一个路径都可以
const std::string SHPathName = "/home/JZhong/code/linux-code/test_7_20";
const int SHProj_Id = 0x8585;

#define SHCreater 1
#define SHUser    0 
#define SHsize 4096

class Shm {
    std::string ToHex(int n) {
        char buff[128];
        int cx = snprintf(buff, sizeof(buff) - 1, "0x%x", n);
        buff[cx] = '\0';
        return buff;
    }

    int GetShm(int shmflg) {
        int sh = shmget(_key, SHsize, shmflg);
        if (sh == -1) {
            std::cout << "Create shm fail!" << "the reason is " << strerror(errno) << std::endl;