深入Linux内核：IPC资源管理揭秘

一、了解 System V消息队列

System V消息队列和共享内存有很多相似之处，都是用来进程间通信的，只不过共享内存是从内存中申请了一块物理内存，而消息队列在内存中是以队列的形式存在的。

进程A,B之间互相通信，A向B发送数据，数据就会写在一个数据块中，链入队列中，进程B向A发送数据，也是如此。那么，进程A,B怎么样才能够拿到对方发送给自己的数据呢？

这就要对数据块进行标记了，用一个变量（mtype）来标记一下就可以知道是谁发送的数据了。

所以，消息队列是一个进程向另一个进程发送有类型数据块的方式。

可能会有很多的进程之间都会用消息队列进行通信，那么，有这么多的消息队列，OS也是要管理的。

在用户层面也提供了一种结构体描述消息队列。我们来看一下。

接下来，就认识一下消息队列的接口。

ipcs -q//查看消息队列
ipcrm -q //删除消息队列

发送数据和接收数据

有类型的数据块

可以看到，这些接口都是很相似的，这里不再做过多介绍。

二、System V 信号量了解

在了解信号量之前，我们需要对一些概念进行理解。

1 并发编程的概念

多个执行流（进程）能看到的同一份公共资源：共享资源。

被保护起来的资源叫做临界资源。

那么，什么叫做临界资源呢？

比如：进程A,B之间要互相通信，A向共享资源写入数据，B也向共享资源写入数据，那么，在同一时间，有两个执行流访问同一份资源，岂不是会造成数据的混乱，所以需要对共享资源进行保护，保护起来的资源就叫做临界资源。

保护的方式常见：互斥和同步。

任何时刻只允许一个执行流访问资源，叫做互斥。

这就好比ATM，一次只能有一个人取钱。

多个执行流，访问临界资源的时候，具有一定的顺序性，叫做同步。

比如：食堂阿姨打饭的时候，所有人都必须在窗口前进行排队。

系统中某些资源一次只允许一个进程使用，称这样的资源为临界资源或互斥资源。

对于临界资源的访问，都是通过代码实现的，在进程中涉及到临界资源的程序叫临界区，不访问临界资源的代码叫做非临界区。

所以，对共享资源的保护，本质是对访问共享资源的代码进行保护（毕竟临界资源的访问是通过代码实现的）。

2. 信号量的理解

什么是信号量呢？

举一个例子：有去过电影院的小伙伴吧，在进电影院之前，我们必须先买票，才能够进去电影院。可是电影院的位置是有限的，假设只有100个座位，那么，我们就只能卖出100张票，卖出一张票就做一次减法操作，如果卖多了，那就要将多买出的票回收，做一次加法操作。

买票的本质就是对资源的预定机制。

所以，信号量的本质是一种描述临界资源数量的计数器，对资源的预定机制。

如果这个电影院只有一个座位呢，那么，这个VIP座位一次就只能被一个人使用，那么，当这个座位未被售出时，信号量就应该为1，任何人都可以预定，售出后，信号量为0，别人不能使用，我们把它叫做二元信号量。

利用这个二元信号量，不就可以实现互斥功能了嘛。

信号量分为：多元信号量、二元信号量。

多元信号量：实现互斥或者同步功能。

二元信号量：实现互斥功能。

每一个人看电影都要去买票，那么每一个进程访问公共资源，就必须先申请信号量。所有的进程要申请信号量，就意味着所有的进程要先看到同一个信号量，那么信号量本身不就是共享资源了。那么将来对信号量做P(- -),V(++)操作，要如何保证信号量的安全呢？这就要保证P,V操作的原子性了。

所有的进程都要看到同一个信号量，进程间通信的本质不就是让不同的进程看到同一份资源吗，信号量也就属于IPC的范畴了。

注：

1.所有得System V资源，生命周期全部都随内核。

2.所有的System V资源，都要被OS管理起来。

三、内核是如何组织管理IPC资源的

那接下来我们就来分析下面的一张图。

我们要创建一个消息队列时，OS就给你分配一个msg_queue，创建共享内存时，OS就分配一个 shmid_kernel，创建信号量，就分配一个 sem_array，不知道大家有没有注意到，描述这三个的结构体第一个成员类型都是一样的，也就是 kern_ipc_perm，在OS内组织IPC资源是用一个kern_ipc_perm* ipc_id_ary[]的数组管理的，这个数组根本就不是指向 kern_ipc_perm的，而是指向msg_queue或者shmid_kernel或者sem_array中的第一个成员，找到数组中未使用的一个下标填入这些结构体中第一个成员的地址，获取地址时，第一个成员的地址和结构体的地址在数字层面上是相等的。

将来要访问其中的某一个结构体中的第一个成员，只需要找到数组下标进行访问就可以了，那如果要访问一个结构体中的所有成员呢？我们只需要将这个地址强转成这个结构体的地址，不就可以进行访问了吗！

注意到第二个成员了吗？有人认识吗。这是柔性数组。在计算该结构体的大小时，不会将柔性数组的大小计算在内，所以该结构体的大小是4字节，未来需要多大的空间我们就可以动态申请 malloc 空间，这样就比较灵活。毕竟OS不知道我们有多少共享资源，空间给多了就浪费了，给少了又不够，这样就可以随时随地的申请空间了。

还记得我们之前调用的 shmget 函数吗，它的返回类型是 int ，这个整型代表的就是共享资源在 ipc_id_ary结构体数组中的下标。

shmid就是数组下标。

这是一个全局的结构体，OS通过这个结构体中的 entries找到 ipc_id_ary，就可以访问共享资源了。

调用 ftok 函数形成的键值就被放在了这个结构体里面，两个进程通过 ipc_id_ary找到共享资源的结构体，然后通过相同的键值判断是否是同一个共享资源。

以双链表的形式管理消息队列。

今天的文章分享到此结束，觉得不错的给个一键三连吧。