进程间通信之消息队列和信号量

2023-05-16

消息队列

消息队列是IPC对象的一种，由消息队列ID来唯一标识，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。

消息队列可以安装类型来发送/接收消息。
消息队列的操作包括：创建或者打开消息队列、添加消息、读取消息、控制消息

创建或者打开消息队列：

int msgget(key_t key,int flag);
函数参数：

key key值
flag 消息队列访问权限

函数返回值：成功消息队列 ID，出错 -1；
创建的消息队列的数量会受到系统消息队列数量的限制

添加消息函数

int msgsnd(int msqid,const void * msgp,size_t size,int flag);

函数参数：

msqid：消息队列的ID
msgp：指向消息的指针。常用的消息结构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。

函数返回值：成功 0，出错 -1；

读取消息函数

int msgrcv(int msgid,void *msgp,size_t size,long msgtype,int flag)

函数参数：
- msqid：消息队列的ID号
- msgp ：接收消息的缓冲区
- size ：要接收消息的字节数
- msgtype：
1. 0：接收消息队列中第一个消息
2. 大于0，接收消息队列中第一个类型为 msgtyp的消息
3. 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，若无消息，进程会立即返回ENOMSG

函数返回值：成功，接收到的消息的长度。失败返回-1；

控制消息使用函数：

int msgctl(int msgqid,int cmd,struct msqid_ds *buf)
函数参数：
- msgqid 消息队列ID
- cmd：
1. IPC_STAT 读取消息队列的属性，并将其保存在buf执行的缓冲区中
2. IPC_SET 设置消息队列的属性，这个值取自buf参数
3. IPC_RMID 从系统中删除消息队列
- buf：消息队列缓冲区

函数返回值：成功 0，失败 -1；

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#define BFUSZ 512
#define TYPE 100
struct msgbuf{

long mtype;
    char mtext[BFUSZ];
};
int main()
{

int qid,len;
    key_t key;
    struct msgbuf msg;
    if( (key = ftok(".",'a'))== -1)
    {
    perror("ftok");
    exit(-1);
    }
    if( (qid = msgget(key,IPC_CREAT|0666)) == -1)
    {
    perror("msgget");
    exit(-1);
    }
    printf("opened queue%d\n",qid);
    if( (fgets((&msg)->mtext,BFUSZ,stdin))==NULL)
    {
    puts("no message");
    exit(-1);
    }
    msg.mtype = TYPE;
    len = strlen(msg.mtext)+1;
    if( msgsnd(qid,&msg,len,0)<0)
    {
    perror("msgsnd");
    exit(-1);
    }
    if( msgrcv(qid,&msg,BFUSZ,0,0)<0)
    {
    perror("msgrcv");
    exit(-1);
    }
    printf("message is: %s\n",(&msg)->mtext);
if(msgctl(qid,IPC_RMID,NULL)<0)
{
    perror("msgctl");
    exit(1);
}


    return 0;
}

信号量

信号灯 (semaphore) 也叫做信号量。它是不同进程间或同一进程内部不同线程间同步的机制。

信号灯种类：
- posix有名信号灯
- posix基于内存的信号灯（无名信号灯）
- System V信号灯（IPC对象）

System V信号灯是一个或者多个信号灯的集合。其中的每一个都是耽误的计数信号灯。而Posix信号灯指的是单个信号灯

System V信号灯由内核维护。主要函数semget，semop，semctl

int semget(key_t key , int nsems,int semflg);

函数参数：
- key：和信号灯集相关联的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

函数返回值：成功信号灯集ID
失败 -1；

int semop(int semid ,struct sembuf * opsptr,size_t nops);

函数参数：
- semid：信号灯集ID

    struct sembuf{
    short sem_num; //要操作的信号灯编号
short sem_op; //0：等待，直到信号灯的值变为0
    //1：释放资源，V操作
    //-1:申请资源，P操作
short sem_flg; //0,IPC_NOWAIT，SEM_UNDO
    };

nops:要操作的信号灯个数

函数返回值：成功 0，失败 -1；
int semctl(int semid,int semnum,int cmd …/* union semun arg */)
函数参数:
- semid：信号灯集 ID
- semnum：要修改的信号灯编号
- cmd：
1. GETVAL：获取信号灯的值
2. SETVAL：设置信号灯的值
3. IPC_RMID：从系统中删除信号灯集
函数返回值：成功 0，失败 -1；

/*********************** read ************************************/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/shm.h>

union semun {
    int val; /* Value for SETVAL */
    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) */
};

#define N 64
#define READ 0
#define WRITE 1

void sem_init(int semid, int array[], int n)
{
    union semun myun;
    int i;

for (i=0; i<n; i++)
    {
    myun.val = array[i];
    semctl(semid, i, SETVAL, myun);
    }

return;
}

void pv(int semid, int num, int op)
{
    struct sembuf buf;

buf.sem_num = num;
    buf.sem_op = op;
    buf.sem_flg = 0;
    if (semop(semid, &buf, 1) < 0)
    {
    exit(0);
    }

return;
}

int main()
{
    key_t key;
    int shmid, semid;
    char *shmaddr;
    int array[] = {0, 1};

    if ((key = ftok(".", 's')) < 0)
    {
    perror("fail to ftok");
    exit(-1);
    }

if ((semid = semget(key, 2, 0666|IPC_CREAT|IPC_EXCL)) < 0)
    {
    if (EEXIST == errno)
    {
    semid = semget(key, 2, 0666);
    }
    else
    {
    perror("fail to semget");
    exit(-1);
    }
    }
    else
    {
    sem_init(semid, array, 2);
    }

if ((shmid = shmget(key, N, 0666|IPC_CREAT)) < 0)
    {
    perror("fail to shmget");
    exit(-1);
    }

shmaddr = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);

while ( 1 )
    {
    pv(semid, READ, -1);
    printf("read from shm : %s", shmaddr);
    pv(semid, WRITE, 1);
    }

return 0;
}

/********************************** write ********************************/


#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/shm.h>

union semun {
    int val; /* Value for SETVAL */
    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) */
};

#define N 64
#define READ 0
#define WRITE 1

void sem_init(int semid, int array[], int n)
{
    union semun myun;
    int i;

for (i=0; i<n; i++)
    {
    myun.val = array[i];
    semctl(semid, i, SETVAL, myun);
    }

return;
}

void pv(int semid, int num, int op)
{
    struct sembuf buf;

buf.sem_num = num;
    buf.sem_op = op;
    buf.sem_flg = 0;
    semop(semid, &buf, 1);

return;
}

int main()
{
    key_t key;
    int shmid, semid;
    char *shmaddr;
    int array[] = {0, 1};

    if ((key = ftok(".", 's')) < 0)
    {
    perror("fail to ftok");
    exit(-1);
    }

if ((semid = semget(key, 2, 0666|IPC_CREAT|IPC_EXCL)) < 0)
    {
    if (EEXIST == errno)
    {
    semid = semget(key, 2, 0666);
    }
    else
    {
    perror("fail to semget");
    exit(-1);
    }
    }
    else
    {
    sem_init(semid, array, 2);
    }

if ((shmid = shmget(key, N, 0666|IPC_CREAT)) < 0)
    {
    perror("fail to shmget");
    exit(-1);
    }

shmaddr = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);

while ( 1 )
    {
    pv(semid, WRITE, -1);
    printf("write to shm : ");
    fgets(shmaddr, N, stdin);
    if (strncmp(shmaddr, "quit\n", 5) == 0) break;
    pv(semid, READ, 1);
    }
    shmdt(shmaddr);
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
    semctl(semid, 0, IPC_RMID);

return 0;
}

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