进程间通信（2）---消息队列/共享内存/信号灯---嵌入式（Linux）

1、消息队列

消息队列是 Linux 系统中一种基于内核的、面向数据块（消息）的异步 IPC 机制，本质是内核维护的一个消息链表，进程通过 API 向队列中添加 / 读取消息，实现进程间通信。

1.1 IPC对象

• 消息队列、共享内存、信号量（信号灯）都属于System V IPC 对象，内核会为每个 IPC 对象维护一个独立的内核数据结构（而非 “内存文件”）；
• 每个 IPC 对象有唯一的IPC 标识符（ID）（如消息队列 ID、共享内存 ID），且会被内核持久化（进程退出后仍存在，需手动删除）。

1.2 键值

• 键值（key_t）是 IPC 对象的全局唯一标识，用于在多个进程间定位同一个 IPC 对象（ID 是内核内部标识，键值是用户层标识）；
• IPC对象的名称，一个键值对应一个IPC对象，而每个IPC对象只能是三种类型中的一种：（要么是消息队列，要么是共享内存，要么是信号量）
• 键值的生成方式：
  • 手动指定固定值（如key_t key = 0x123456;）；
  • 通过ftok()函数生成（推荐，避免键值冲突）。

1.3 进程间通信（消息队列）

多个进程要通过消息队列通信，必须满足：

使用同一消息队列 → 访问同一个System V IPC对象 → 使用同一个键值（key） → （若用ftok）使用同一个pathname和proj_id。

1.4 常用命令（管理IPC对象）

1.5 核心函数接口

1.5.1 ftok（生成键值）

• 函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

• 功能：根据文件路径和项目 ID 生成唯一的 IPC 键值；
• 参数：
  • pathname：必须是存在且可访问的文件路径（如"/tmp/ipc_test"）；
  • proj_id：项目 ID（仅低 8 位有效，通常传 1 个字符如'a'，范围 1-255）；
• 返回值：
  • 成功：返回key_t类型的键值；
  • 失败：返回-1（需检查errno，如文件不存在、权限不足）；
• 关键：同一pathname + 同一proj_id → 生成相同键值；任意一个不同 → 键值不同。

1.5.2 msgget（创建 / 获取消息队列）

• 函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

int msgget(key_t key, int msgflg);

• 功能：创建新的消息队列，或获取已存在的消息队列 ID；
• 参数：
  • key：IPC 键值（由ftok生成或手动指定）；
  • msgflg：标志位（组合使用）：
    • IPC_CREAT：若键值对应的队列不存在则创建，存在则获取；
    • IPC_EXCL：与IPC_CREAT配合使用，若队列已存在则报错（确保创建新队列）；
    • 权限位：如0664（同文件权限，所有者可读可写，组可读，其他可读）；
• 返回值：
  • 成功：返回消息队列 ID（非负整数）；
  • 失败：返回-1（如权限不足、队列已存在且用了IPC_EXCL）；
• 示例：msgget(key, IPC_CREAT | 0664);（创建 / 获取队列，权限 0664）。

1.5.3 mesgsnd（发送消息到队列）

• 函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);

• 功能：向指定消息队列发送一条消息；
• 参数：
  • msqid：消息队列 ID（msgget返回值）；
  • msgp：指向自定义消息结构体的指针（必须以long mtype开头）：

// 自定义消息结构（mtype必须>0，mtext长度可自定义）
struct msgbuf {
long mtype; /* 消息类型，必须 > 0 */
char mtext[1024]; /* 消息数据（可自定义长度） */
};

• msgsz：消息数据部分的长度（即mtext的有效长度，不含mtype）；
• msgflg：发送标志：
  • 0：默认，队列满时阻塞；
  • IPC_NOWAIT：队列满时不阻塞，直接返回错误；
• 返回值：成功返回0，失败返回-1（如队列不存在、权限不足、消息类型≤0）。

1.5.4 msgrcv（从队列接收消息）

• 函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);

• 功能：从消息队列中读取指定类型的消息；
• 参数：
  • msqid：消息队列 ID；
  • msgp：存放接收消息的缓冲区（同msgsnd的msgbuf结构）；
  • msgsz：缓冲区mtext的最大长度（超出部分会被截断，且不报错）；
  • msgtyp：指定接收的消息类型（核心参数）：
    • msgtyp = 0：读取队列中第一个消息（不区分类型）；
    • msgtyp > 0：读取队列中第一个类型为 msgtyp的消息；
    • msgtyp < 0：读取队列中类型≤|msgtyp|的最小类型的消息；
  • msgflg：接收标志：
    • 0：默认，队列无匹配消息时阻塞；
    • IPC_NOWAIT：无匹配消息时不阻塞，直接返回错误；
    • MSG_NOERROR：消息长度超过msgsz时，截断数据且不报错（默认会报错）；
• 返回值：
  • 成功：返回实际读取的mtext字节数；
  • 失败：返回-1（如队列不存在、权限不足）。

1.5.5 msgctl（控制消息队列）

• 函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

• 功能：对消息队列执行控制操作（查询状态、修改属性、删除队列）；
• 参数：
  • msqid：消息队列 ID；
  • cmd：控制命令（核心）：
    • IPC_STAT：获取队列的状态信息（存入buf）；
    • IPC_SET：修改队列的属性（从buf读取）；
    • IPC_RMID：删除消息队列（最常用，删除后队列立即消失）；
  • buf：
    • 执行IPC_STAT/IPC_SET时：指向msqid_ds结构体（存放队列状态）；
    • 执行IPC_RMID时：传NULL即可；
• 返回值：成功返回0，失败返回-1（如队列不存在、无删除权限）；
• 示例：msgctl(msqid, IPC_RMID, NULL);（删除消息队列）。

2、共享内存

共享内存是 Linux 中最高效的进程间通信方式—— 内核在物理内存中开辟一块连续区域，多个进程将这块内存映射到自己的虚拟地址空间，进程可直接读写该内存（无需数据拷贝），通信效率远超管道 / 消息队列。

核心优势：其他 IPC 方式（如消息队列）需要 2 次数据拷贝（用户态→内核态→用户态），共享内存仅需映射，数据直接在用户态读写，无拷贝开销。

2.1 核心函数接口

2.1.1 ftok(同消息队列）

2.1.2 shmget（创建 / 获取共享内存）

• 函数原型：

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

• 功能：创建新的共享内存段，或获取已存在的共享内存 ID；
• 参数：
  • key：IPC 键值（ftok生成或手动指定，如IPC_PRIVATE表示创建私有共享内存）；
  • size：共享内存的大小（字节数，建议按页大小对齐，如 4096、8192，系统页大小用getpagesize()获取）或者终端：getconf PAGESIZE；
  • shmflg：标志位（组合使用）：
    • IPC_CREAT：不存在则创建，存在则获取；
    • IPC_EXCL：与IPC_CREAT配合，若已存在则报错（确保创建新内存段）；
    • 权限位：如0664（同文件权限，控制进程对共享内存的读写）；
• 返回值：
  • 成功：返回共享内存 ID（非负整数）；
  • 失败：返回-1（如权限不足、内存大小非法）。

2.1.3 shmat（映射共享内存到进程地址空间）

• 函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>

void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

• 功能：将内核中的共享内存段映射到当前进程的虚拟地址空间，返回可直接读写的指针；
• 参数：
  • shmid：共享内存 ID（shmget返回值）；
  • shmaddr：指定映射到进程的虚拟地址：
    • NULL：推荐用法，让系统自动选择合适的地址（避免地址冲突）；
    • 非空：手动指定地址（需确保地址合法，一般不推荐）；
  • shmflg：映射属性：
    • 0：默认，读写权限（需共享内存创建时的权限允许）；
    • SHM_RDONLY：只读权限（即使共享内存有写权限，也只能读）；
• 返回值：
  • 成功：返回映射后的内存起始地址（void*，需强转为对应类型使用）；
  • 失败：返回(void*)-1（注意不是-1，需用(void*)-1判断）。

2.1.4 shmdt（解除共享内存映射）

• 函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>

int shmdt(const void *shmaddr);

• 功能：将共享内存从当前进程的地址空间中解除映射（仅断开连接，不删除共享内存）；
• 参数：shmaddr：shmat返回的映射地址；
• 返回值：成功返回0，失败返回-1；
• 关键：进程退出前必须解除映射，否则可能导致内存泄漏。

2.1.5 shmctl（控制共享内存）

• 函数原型：

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

• 功能：对共享内存执行查询、修改、删除等操作；
• 参数：
  • shmid：共享内存 ID；
  • cmd：控制命令（核心）：
    • IPC_STAT：读取共享内存属性（存入buf，同消息队列）；
    • IPC_SET：修改共享内存属性（从buf读取，仅能改权限、所有者等）；
    • IPC_RMID：删除共享内存段（最常用，删除后内核释放该内存）；
    • SHM_LOCK：锁定共享内存（禁止换出到交换分区，需 root 权限）；
    • SHM_UNLOCK：解锁共享内存；
  • buf：
    • IPC_STAT/IPC_SET：指向shmid_ds结构体（存放属性）；
    • IPC_RMID：传NULL即可；
• 返回值：成功返回0，失败返回-1。

3、信号灯

System V信号灯是多个信号量组成的数组，用于实现进程间的同步 / 互斥（如保护共享内存的读写）；单个信号量是一个计数器，通过P/V操作（减 1 / 加 1）控制资源访问。

3.1 函数接口

3.1.1 ftok（同消息队列）

3.1.2 semget（创建 / 获取信号量集）

• 函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

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

• 功能：创建新的信号量集，或获取已存在的信号量集 ID；
• 参数：
  • key：IPC 键值（ftok生成或IPC_PRIVATE）；
  • nsems：信号量集中的信号量个数（创建时必须指定，获取时可填 0）；
  • semflg：标志位（组合使用）：
    • IPC_CREAT：不存在则创建，存在则获取；
    • IPC_EXCL：与IPC_CREAT配合，若已存在则报错（确保创建新集）；
    • 权限位：如0664（控制进程对信号量集的操作权限）；
• 返回值：
  • 成功：返回信号量集 ID（非负整数）；
  • 失败：返回-1（如权限不足、nsems 非法）。

3.1.3 semctl（控制信号量集 / 单个信号量）

• 函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, …);

• 功能：对信号量集 / 单个信号量执行初始化、删除、查询等操作；
• 参数：
  • semid：信号量集 ID（semget返回值）；
  • semnum：信号量集中的单个信号量下标（从 0 开始，操作整个集时可填 0）；
  • cmd：核心命令：
    命令功能

    SETVAL	设置单个信号量的初始值（需配合第四个参数union semun）
    GETVAL	获取单个信号量的当前值（返回值为信号量值）
    IPC_RMID	删除整个信号量集（semnum 无效，第四个参数传 NULL，也可省略）
    SETALL	设置信号量集中所有信号量的初始值（第四个参数传数组）
    GETALL	获取信号量集中所有信号量的当前值（第四个参数传数组）

  • 可变参数（…）：需传入union semun结构体（必须手动定义，系统不默认提供）：

    // 必须手动定义该联合体！
    union semun {
    int val; // SETVAL：单个信号量的初始值
    struct semid_ds *buf; // IPC_STAT/IPC_SET：信号量集属性
    unsigned short *array; // GETALL/SETALL：所有信号量的值数组
    struct seminfo *__buf; // IPC_INFO：系统限制（Linux特有）
    };

• 返回值：
  • 成功：SETVAL/IPC_RMID返回 0，GETVAL返回信号量当前值；
  • 失败：返回-1。

3.1.4 semop（执行 P/V 操作，核心）

• 函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);

• 功能：对信号量集执行一组原子操作（P 操作 / V 操作），确保操作不被中断；
• 参数：
  • semid：信号量集 ID；
  • sops：指向struct sembuf结构体数组的指针（定义操作列表）：

    struct sembuf {
    unsigned short sem_num; // 操作的信号量下标（从0开始）
    short sem_op; // 操作类型（核心）：
    // -1：P操作（申请资源，信号量减1，无资源则阻塞）
    // +1：V操作（释放资源，信号量加1）
    // 0：等待信号量值变为0
    short sem_flg; // 操作标志：
    // 0：默认，无资源则阻塞
    // IPC_NOWAIT：无资源则不阻塞，直接返回错误
    // SEM_UNDO：进程退出时自动撤销本次操作（避免死锁）
    };

  • nsops：操作列表的长度（即sops数组的元素个数）；
• 返回值：成功返回0，失败返回-1；
• 核心特性：semop的所有操作是原子性的 —— 要么全部执行，要么全部不执行（避免竞态条件）。