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Linux中的System V通信标准-共享内存、消息队列以及信号量

news 来源：原创 2025/6/4 21:18:40

在Linux系统中，System V IPC（Inter-Process Communication）提供了一系列进程间通信的机制，包括共享内存、消息队列和信号量。这些机制在系统中发挥了重要作用，帮助进程之间进行数据交换和同步。本文将详细介绍这些机制的概念、使用方法以及应用场景。

一、共享内存

1.1 概念

共享内存（Shared Memory）是最快的一种进程间通信方式，它允许多个进程直接访问同一块内存区域，从而实现高效的数据交换。共享内存由内核管理，每个进程可以将共享内存段映射到自身的地址空间。

1.2 使用方法

创建和附加共享内存

创建或获取一个共享内存段：

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>int shm_id = shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

附加共享内存段到进程的地址空间：

void *shmaddr = shmat(int shm_id, const void *shmaddr, int shmflg);

数据读写

共享内存的读写操作直接通过指针进行，如同普通内存操作。

分离和删除共享内存

分离共享内存段：

int shmdt(const void *shmaddr);

删除共享内存段：

int shmctl(int shm_id, IPC_RMID, NULL);

1.3 示例代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>int main() {key_t key = ftok("shmfile", 65);int shm_id = shmget(key, 1024, 0666|IPC_CREAT);char *str = (char*) shmat(shm_id, (void*)0, 0);printf("写入数据到共享内存\n");strcpy(str, "Hello, World!");printf("数据: %s\n", str);shmdt(str);shmctl(shm_id, IPC_RMID, NULL);return 0;
}

二、消息队列

2.1 概念

消息队列（Message Queue）是一种以消息为单位的进程间通信机制，允许一个或多个进程以有序的方式发送和接收消息。消息队列在内核中维护，进程通过消息队列标识符进行操作。

2.2 使用方法

创建和获取消息队列

创建或获取一个消息队列：

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>int msg_id = msgget(key_t key, int msgflg);

发送消息

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

接收消息

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

删除消息队列

int msgctl(int msg_id, IPC_RMID, NULL);

2.3 示例代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>struct msg_buffer {long msg_type;char msg_text[100];
};int main() {key_t key = ftok("msgfile", 65);int msg_id = msgget(key, 0666 | IPC_CREAT);struct msg_buffer message;message.msg_type = 1;strcpy(message.msg_text, "Hello, World!");msgsnd(msg_id, &message, sizeof(message), 0);printf("消息发送: %s\n", message.msg_text);msgrcv(msg_id, &message, sizeof(message), 1, 0);printf("消息接收: %s\n", message.msg_text);msgctl(msg_id, IPC_RMID, NULL);return 0;
}

三、信号量

3.1 概念

信号量（Semaphore）是一种用于同步进程操作的机制，可以控制多个进程对共享资源的访问。信号量可以是单个信号量（用于简单的互斥）或信号量集合（用于复杂的同步）。

3.2 使用方法

创建和获取信号量

创建或获取一个信号量集：

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>int sem_id = semget(key_t key, int num_sems, int semflg);

初始化信号量

int semctl(int sem_id, int semnum, SETVAL, union semun arg);

操作信号量

信号量操作包括P操作（等待）和V操作（信号），通常使用 semop函数进行操作。

struct sembuf {unsigned short sem_num;short sem_op;short sem_flg;
};int semop(int sem_id, struct sembuf *sops, size_t nsops);

3.3 示例代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/types.h>union semun {int val;struct semid_ds *buf;unsigned short *array;
};void sem_wait(int sem_id) {struct sembuf sem_op;sem_op.sem_num = 0;sem_op.sem_op = -1;sem_op.sem_flg = 0;semop(sem_id, &sem_op, 1);
}void sem_signal(int sem_id) {struct sembuf sem_op;sem_op.sem_num = 0;sem_op.sem_op = 1;sem_op.sem_flg = 0;semop(sem_id, &sem_op, 1);
}int main() {key_t key = ftok("semfile", 65);int sem_id = semget(key, 1, 0666 | IPC_CREAT);union semun sem_union;sem_union.val = 1;semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union);if (fork() == 0) {sem_wait(sem_id);printf("子进程正在使用共享资源\n");sleep(2);printf("子进程释放共享资源\n");sem_signal(sem_id);} else {sem_wait(sem_id);printf("父进程正在使用共享资源\n");sleep(2);printf("父进程释放共享资源\n");sem_signal(sem_id);}semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union);return 0;
}