三、System V进程通信
System V是一个单独设计的内核模块；
这套标准的设计不符合Linux下一切皆文件的思想，尽管隶属于文件部分，但是已经是一个独立的模块，并且shmid与文件描述符之间的兼容性做的并不好，网络通信使用的是文件的接口，所以System V标准慢慢地边缘化了，很难被整合进网络结构当中；
不同进程看到同一份资源都是使用的key匹配的方式实现；
3.1共享内存
3.1.1原理
由操作系统在内存中创建一段连续的空间，经过页表映射到共享区，给需要通信的用户层返回此空间的起始地址；这样就使得不同的进程看到同一份资源；
通信准备工作，第一步申请空间；第二步将空间挂接到进程的共享区；
通信结束工作，第一步去去关联；第二步释放共享内存；
以上过程因为进程的独立性，必须交由操作系统来完成，需要使用系统调用接口；而且操作系统要对共享内存进行管理，有专门的结构体进行描述，憨厚用数据结构进行维护；
3.1.2系统调用接口
//1.创建一个共享内存
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);//创建共享内存的时候也要进行权限设计，即第三个参数设计IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666
//第一个参数，操作系统要保证管理的每一个共享内存是唯一的；所以用key(具备唯一性的标识符)来创建共享内存并且使用key进行配对共享内存，来达到获取或者释放；key存放于操作系统创建的描述对象中；
//第二个参数是创建的空间大小。单位是字节，一般是4096的整数倍；
//第三个参数是共享内存的选项，IPC_CREAT and IPC_EXCL，IPC_EXCL不能单独使用；第三个选项一般有两个使用方式；方式一：IPC_CREAT，如果申请的共享内存不存在就创建，存在就获取；方式二：IPC_CREAT|IPC_EXCL，如果申请的共享内存不存在就创建，存在就出错返回；这种方式是为了保证刚创建的共享内存是新的；
//返回值是一个有效的共享内存标识符shmid，是在进程进行唯一性标识的；而key是操作系统使用的，进行唯一性标定的，返回给进程一个shmid；shmid其实就是一个数组，但是不符合文件的设计；
//2.释放共享内存，获取共享内存信息
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
struct shmid_ds {
struct ipc_perm shm_perm; /* Ownership and permissions */共享内存的权限
size_t shm_segsz; /* Size of segment (bytes) */
time_t shm_atime; /* Last attach time */
time_t shm_dtime; /* Last detach time */
time_t shm_ctime; /* Last change time */
pid_t shm_cpid; /* PID of creator */
pid_t shm_lpid; /* PID of last shmat(2)/shmdt(2) */
shmatt_t shm_nattch; /* No. of current attaches */
...
};//此结构是内核中管理共享内存的子集；
//如下是权限的结构，key被保存在了此结构中
struct ipc_perm {
key_t __key; /* Key supplied to shmget(2) */
uid_t uid; /* Effective UID of owner */
gid_t gid; /* Effective GID of owner */
uid_t cuid; /* Effective UID of creator */
gid_t cgid; /* Effective GID of creator */
unsigned short mode; /* Permissions + SHM_DEST and
SHM_LOCKED flags */
unsigned short __seq; /* Sequence number */
};
Valid values for cmd are:
IPC_STAT(将内核中的属性拷贝到输出型参数)、IPC_RMID(标记共享内存为删除)、IPC_SET(设置属性)；
//第一个参数是shmid；第二个参数是具体的控制方式，查看、修改属性；第三个参数是输出型参数，用来获取共享内存的部分属性；
3.1.3创建key
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
//一套算法生成key并不会进内核进行查找；pathname和proj_id进行了数值计算，形成一个冲突概率率比较小的key；
//使用同一套算法，pathname，proj_id一定会生成同一个key；
//key是进程传递给操作系统，让操作系统生成唯一性的共享内存，或者操作系统用key进行判断是否允许使用共享内存通信；
3.1.4指令管理操作系统IPC资源
ipcs(ipc show) -m(memory)
#查看共享内存资源使用情况；
ipcrm -m shmid
#释放 shmid共享内存
3.1.5共享内存的权限问题
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
//创建共享内存的时候也要进行权限设计，即第三个参数设计IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666
3.1.6注意事项
1.共享内存一旦创建好就需要手动去释放，除非内核关闭；
2.一个进程创建共享内存，一个获取使用共享内存；
3.共享内存的大小建议是4096的整数倍；因为操作系统分配内存是按照page的倍数来的，即使申请4097大小，也还是会开辟2*4096的空间，只不过是第二个4096空间只允许使用1的大小；
4.一个进程负责共享内存的申请和释放，另一个只是挂接和去关联就行；
5.如果进程因为异常终止，就会导致共享内存没有释放，内存泄露；
3.1.7共享内存的挂接和去关联
进程结束会–attach；
malloc是开辟的空间往往比申请的空间要大，是因为这部分额外的空间"cookie"记录了对开辟空间的管理信息
#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
//和malloc类似，都是返回一个虚拟地址空间，然后触发缺页中断，建立映射；
//将共享内存挂接到进程地址空间的共享区
//第一个参数共享内存标识符；第二个参数表示的是共享区的具体位置，一般是设为NULL；第三个参数可以自己设置权限，也可以设置0，使用共享内存的默认权限；
//返回值是挂接到共享区的具体位置，
int shmdt(const void *shmaddr);
//进程和共享内存去关联，由于操作系统对共享内存进行了管理，知道大小，随意只需要起始地址就可以释放，类似free；
3.1.8通信
共享内存通信是不需要像管道一样刷新文件到页缓冲区的，因为直接挂接到了虚拟地址空间，所以用户层是直接可以使用的；直接将挂接的地址强转成char*，当成字符串使用，也不需要语言层缓冲区，不需要调用系统调用；每次从起始位置写入和读取；
char *fgets(char *s, int size, FILE *stream);
//读取之后会在最后加\0；
3.1.9特性
1.没有同步互斥；
2.共享内存是所有进程间通信方式最快的，因为拷贝少，系统调用少；
3.共享内存的数据需要用户自己维护，是最原始的缓冲区；
3.1.10使用管道对共享内存进行同步和互斥
两个进程1号读，2号写；2号写完后继续使用管道发送提示，而使用了管道的1号进程，就不会立刻读取，而是等先读到管道数据，才继续读取共享内存的数据；即双方使用共享内存通信中间加入管道通信，借助管道的同步和互斥进行通信；
共享内存的通信速度非常快，对于大文件效率高；可以自己实现同步和互斥，也可以借助管道的同步互斥机制，发送提示符实现；
3.2信号量和消息队列
3.2.1消息队列
3.2.1.1原理
操作系统在内核中管理消息队列，开辟了队列空间，使得通信双方看到同一份资源；而管道和共享内存使用的是文件页缓冲区和内存块；
通信的要求是：1.必须让不同的进程看到同一份资源；2.允许不同的进程向内核发送带类型(区分发送给哪一个进程)的数据块，然后将数据块炼链入消息队列；即ab两个进程以发送数据块形式；
3.2.1.2创建和控制接口
//创建一个消息队列
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
int msgget(key_t key, int msgflg);
//key和msg的选项和共享内存一样；
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
//msqid和cmd的选项和共享内存的一样
struct msqid_ds {
struct ipc_perm msg_perm; /* Ownership and permissions */使用了组合的方式，而不是继承
time_t msg_stime; /* Time of last msgsnd(2) */
time_t msg_rtime; /* Time of last msgrcv(2) */
time_t msg_ctime; /* Time of last change */
unsigned long __msg_cbytes; /* Current number of bytes in
queue (nonstandard) */
msgqnum_t msg_qnum; /* Current number of messages
in queue */
msglen_t msg_qbytes; /* Maximum number of bytes
allowed in queue */
pid_t msg_lspid; /* PID of last msgsnd(2) */
pid_t msg_lrpid; /* PID of last msgrcv(2) */
};
The ipc_perm structure is defined as follows (the highlighted fields are settable using IPC_SET):
struct ipc_perm {
key_t __key; /* Key supplied to msgget(2) */
uid_t uid; /* Effective UID of owner */
gid_t gid; /* Effective GID of owner */
uid_t cuid; /* Effective UID of creator */
gid_t cgid; /* Effective GID of creator */
unsigned short mode; /* Permissions */
unsigned short __seq; /* Sequence number */
};
3.2.1.3发送和读取接口
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
//第一个参数是消息队列id，第二个参数是消息队列数据块起始地址，第三个数据是数据块大小，第四个参数默认设置为0，意思是阻塞方式，IPC_NOWAIT非阻塞的方式；
struct msgbuf {
long mtype; /* message type, must be > 0 */类型
char mtext[1]; /* message data */内容，但是大小为1字节，所以需要自己定义一个数据块对象，保证第一个数据是类型，第二个数据是内容；
};
ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);
//第一个参数是从哪一个消息队列获取，第二和第三个参数是输出型参数作为缓冲区，第四个参数是根据类型读取数据块，第5个参数和发送的一样，阻塞和非阻塞；
3.2.1.4指令管理IPC资源
ipcs -q
//查看消息队列资源
ipcrm -q msqid
//释放消息队列
used-bytes是总字节数，messages是数据块数；
3.2.2信号量
3.2.2.1原理和概念
1.数据不一致问题，需要解决
a进程未写入完，b进程直接读取，导致双方收发数据不完整；管道不存在这样的问题，因为有原子性保证和同步互斥；但是共享内存是最原始的缓冲区，没有任何的保护机制；
2.共享资源
两个进程看到的同一份资源是共享资源，如果不加保护就会导致数据不一致问题；解决这种问题需要使用加锁的方式实现；加锁是为了实现互斥访问；默认打开的3个文件流就是共享资源，不搬家任何保护；
3.互斥
互斥访问，任何时刻只允许一个执行流访问共享资源；实现互斥就是将共享资源变成临界资源；如ATM取款场景；
4.临界资源
共享的任何时刻只允许一个执行流访问的资源叫做临界资源；管道就是临界资源；一般是内存空间；而共享内存，消息队列等都是不加保护的共享资源；语言层使用的主要是内存资源，而CPU的视角下，操作系统管理的进程是运行在CPU上的，是CPU的资源；
5.临界区
即真正访问临界资源的代码；
3.2.2.2创建和控制接口
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
struct semid_ds {
struct ipc_perm sem_perm; /* Ownership and permissions */
time_t sem_otime; /* Last semop time */
time_t sem_ctime; /* Last change time */
unsigned long sem_nsems; /* No. of semaphores in set */
};
The ipc_perm structure is defined as follows (the highlighted fields are settable using IPC_SET):
struct ipc_perm {
key_t __key; /* Key supplied to semget(2) */
uid_t uid; /* Effective UID of owner */
gid_t gid; /* Effective GID of owner */
uid_t cuid; /* Effective UID of creator */
gid_t cgid; /* Effective GID of creator */
unsigned short mode; /* Permissions */
unsigned short __seq; /* Sequence number */
};
3.3System V在内核中的数据结构设计
在操作系统内所有的进程间通信IPC资源被i整合在IPC模块当中；
上述结构里的entries指针指向了一个数组
数组的第一个元素表示元素的个数，第二个元素是kernel_ipc_perm对应的指针数组，是一个柔性数组，可以动态扩展数组的大小；
在操作系统中System V的三种通信方式，都创建了内核结构，这些内核结构的第一个属性都是struct ipc_perm的结构对象，然后使用数组的方式进行组织，而这个数组是struct ipc_perm *array[]，存放了这三种内核结构的第一个属性的地址，这样就间接地将三类结构的首地址组织起来了，形成了类似二维数组的结构；
即不同通信方式的描述不同，组织方式转化成了对数组的增删查改；
当每一个进程传入key在操作系统内部进行比对时，进行创建或者获取，不存在创建一个结构，返回数组下标即xxxid；即本质上除去不一样的部分，三种通信方式的结构是一样的，统一成了对ipc资源的管理；为了区分三种通信方式的不同，为每一个通信方式增加了自己的属性；
访问不同的通信结构时，使用强制类型转换即可实现访问；
kernel_ipc_perm结构里可以添加一种类型标志位，使用枚举常量的方式区分不同的类型；
这个技术就类似于c++当中的多态，基类ipc_perm，其他三种通信结构是派生类，其是这就是c语言的多态；
id_ary数组不隶属于任何进程，不像files_struct里面的fd_array是属于task_struct的，是一个独立的模块里的结构，所以与文件描述符的关系不大，不兼容，此模块逐渐地被边缘化了，因为此模块无法和进程相关联，自己能和内存相关联，而文件是既可以和进程关联也可以和内存关联；
xxxid数组下标是线性递增的，当变成最大值时，会回绕到0；实际上并不会开辟很大的数组，而且每次数组都是从下标0开始，类似与起始计数器的机制，将数字转化成对应的数组下标；
消息类型和消息大小就是从如下结构拷贝的；然后使用了双链表的形式维护了消息队列
struct msgbuf {
long mtype; /* message type, must be > 0 */类型
char mtext[1]; /* message data */内容，但是大小为1字节，所以需要自己定义一个数据块对象，保证第一个数据是类型，第二个数据是内容；
};