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深入理解 Linux 进程间通信（下）：System V IPC 与内核管理机制

news 2025/10/3 12:33:03

前言：

在 Linux 进程间通信（IPC）体系中，除了早期的管道技术，System V IPC 是另一套核心方案，包含共享内存、消息队列、信号量三种关键机制。其中，共享内存是最快的 IPC 形式，消息队列和信号量则分别解决了 “数据结构化传输” 和 “并发同步互斥” 问题。本文将聚焦 System V IPC 的核心技术细节，结合代码实现与内核管理逻辑，带你彻底掌握这三类 IPC 机制的原理与应用。

一、System V 共享内存：最快的进程间通信

共享内存的核心优势在于数据传递不经过内核—— 一旦内核将共享内存段映射到多个进程的地址空间，进程间可直接通过内存读写交换数据，无需像管道那样执行read/write系统调用，因此效率极高。

1.1 共享内存的本质与原理

从内核视角看，共享内存是一块由内核分配的连续物理内存，通过 “内存映射” 技术关联到多个进程的虚拟地址空间。具体原理可拆解为 3 步：

内核创建共享内存段：进程通过shmget函数向内核申请一块物理内存，内核为其分配唯一标识（shmid），并记录大小、权限、创建者 PID 等信息（存储在struct shmid_ds结构中）。
进程映射共享内存：进程通过shmat函数将内核的共享内存段 “挂载” 到自身虚拟地址空间的某个区域，获得一个指向该区域的指针（类似malloc分配内存）。
进程直接读写内存：挂载完成后，进程可通过指针直接读写共享内存，数据修改会实时同步到所有挂载该内存段的进程（因为指向同一块物理内存）。

关键示意图：

两个进程的虚拟地址空间中，共享内存段被映射到不同的虚拟地址，但最终指向内核管理的同一块物理内存，实现数据直接共享。

进程A虚拟地址空间        进程B虚拟地址空间
----------------    ----------------
| 栈 | 共享内存   |    | 栈 | 共享内存 |
|----|----------|    |----|---------|
| 堆 |0x7f000000|     |堆 | 0x7f123000|
|----|----------|     |----|---------|
| 代码| 数据     |     | 代码| 数据    |
----------------    ----------------↓                    ↓└─────────内核共享内存段─────────┘物理内存：0x10000000（4KB）

1.2 共享内存核心函数

System V 共享内存的操作依赖 4 个核心函数：shmget（创建 / 获取）、shmat（挂载）、shmdt（卸载）、shmctl（控制 / 删除）。我们逐一拆解其参数与用法。

1. `shmget`：创建或获取共享内存

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>// 功能：创建新的共享内存段，或获取已存在的共享内存段
// 参数：
//   key：共享内存的“全局标识”（需多个进程约定相同key，通过ftok生成）
//   size：共享内存大小（建议为4096的整数倍，与内存页大小一致）
//   shmflg：权限标志 + 行为控制（如IPC_CREAT、IPC_EXCL）
// 返回值：成功返回共享内存标识（shmid），失败返回-1
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

关键参数解析：

key：通过ftok函数生成，确保不同进程能获取同一个共享内存。ftok原型如下：

// 功能：将路径名和项目ID转换为唯一key
// 参数：pathname：已存在的文件路径（如"."）；proj_id：自定义项目ID（如0x6666）
// 返回值：成功返回key，失败返回-1
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

shmflg：常用组合：
- IPC_CREAT | 0666：若共享内存不存在则创建，存在则直接获取（权限为 666，所有者 / 组 / 其他用户均有读写权限）。
- IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666：若共享内存已存在则报错（确保创建全新的共享内存，避免误操作已有资源）。

2. `shmat`：将共享内存挂载到进程地址空间

// 功能：将共享内存段挂载到当前进程的虚拟地址空间
// 参数：
//   shmid：`shmget`返回的共享内存标识
//   shmaddr：指定挂载地址（通常设为NULL，让内核自动分配）
//   shmflg：挂载选项（SHM_RDONLY表示只读，0表示读写）
// 返回值：成功返回指向共享内存的指针，失败返回(void*)-1
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

关键注意点：

shmaddr=NULL是最常用的方式，内核会自动选择一个未使用的虚拟地址区域挂载，避免地址冲突。
若shmflg=SHM_RDONLY，进程只能读取共享内存，写入会触发段错误（SIGSEGV）。

3. `shmdt`：将共享内存从进程地址空间卸载

// 功能：卸载共享内存（仅断开进程与内存段的关联，不删除内存段）
// 参数：shmaddr：`shmat`返回的共享内存指针
// 返回值：成功返回0，失败返回-1
int shmdt(const void *shmaddr);

关键误区：shmdt不是 “删除” 共享内存，只是进程不再能访问该内存段。只有通过shmctl的IPC_RMID命令，才能彻底删除内核中的共享内存段。

4. `shmctl`：控制共享内存（查询 / 修改 / 删除）

// 功能：对共享内存执行控制操作（查询状态、修改权限、删除等）
// 参数：
//   shmid：共享内存标识
//   cmd：控制命令（IPC_STAT、IPC_SET、IPC_RMID）
//   buf：指向`struct shmid_ds`的指针，用于存储/修改共享内存属性
// 返回值：成功返回0，失败返回-1
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

核心命令解析：
在这里插入图片描述

1.3 共享内存数据结构：`struct shmid_ds`

内核通过struct shmid_ds管理共享内存的元数据，每个共享内存段对应一个该结构实例。其核心字段如下（基于 Linux 2.6 内核）：

struct shmid_ds {struct ipc_perm shm_perm;  // 权限信息（所有者、组、权限位等）size_t shm_segsz;          // 共享内存段大小（字节）__kernel_time_t shm_atime; // 最后一次挂载（shmat）的时间__kernel_time_t shm_dtime; // 最后一次卸载（shmdt）的时间__kernel_time_t shm_ctime; // 最后一次修改（如权限变更）的时间__kernel_ipc_pid_t shm_cpid;// 创建者PID__kernel_ipc_pid_t shm_lpid;// 最后一次操作（shmat/shmdt）的PIDunsigned short shm_nattch; // 当前挂载该内存段的进程数// 其他兼容字段...
};// 权限子结构：所有System V IPC（共享内存、消息队列、信号量）共用
struct ipc_perm {key_t key;          // 共享内存的keyuid_t uid;          // 所有者用户IDgid_t gid;          // 所有者组IDuid_t cuid;         // 创建者用户IDgid_t cgid;         // 创建者组IDmode_t mode;        // 权限位（如0666）unsigned long seq;  // 序列号（用于生成唯一标识）
};

关键字段用途：

shm_nattch：可通过IPC_STAT查询，判断当前有多少进程在使用共享内存，避免过早删除。
shm_perm.mode：控制进程对共享内存的访问权限（如 0644 表示所有者读写、组和其他只读）。

1.4 共享内存实战 1：基础通信实现

下面通过 “服务器 - 客户端” 模型演示共享内存的核心用法：服务器创建共享内存并读取数据，客户端获取共享内存并写入数据（如字母 A-Z）。

1. 公共头文件（comm.h）：封装共享内存操作函数

#ifndef _COMM_H_
#define _COMM_H_#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>// 约定生成key的路径和项目ID（需服务器和客户端一致）
#define PATHNAME "."    // 当前目录（必须存在的文件路径）
#define PROJ_ID 0x6666  // 自定义项目ID（0~255）// 创建共享内存（用于服务器，确保创建全新内存段）
int createShm(int size);// 获取共享内存（用于客户端，允许获取已存在的内存段）
int getShm(int size);// 删除共享内存（用于服务器，创建者负责清理）
int destroyShm(int shmid);#endif

2. 公共实现文件（comm.c）：实现共享内存操作

#include "comm.h"
#include <perror.h>// 静态辅助函数：统一处理shmget逻辑（创建/获取通用）
static int commShm(int size, int flags) {// 1. 生成唯一key（服务器和客户端需用相同PATHNAME和PROJ_ID）key_t key = ftok(PATHNAME, PROJ_ID);if (key < 0) {perror("ftok error");  // 打印错误原因（如路径不存在）return -1;}// 2. 创建/获取共享内存int shmid = shmget(key, size, flags);if (shmid < 0) {perror("shmget error"); // 错误原因（如内存已存在、权限不足）return -2;}return shmid;
}// 创建共享内存：用IPC_CREAT|IPC_EXCL确保创建全新内存段
int createShm(int size) {// 权限位0666：所有者、组、其他用户均有读写权限return commShm(size, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
}// 获取共享内存：仅用IPC_CREAT，允许获取已存在的内存段
int getShm(int size) {return commShm(size, IPC_CREAT);
}// 删除共享内存：通过shmctl的IPC_RMID命令
int destroyShm(int shmid) {if (shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) < 0) {perror("shmctl error");return -1;}return 0;
}

3. 服务器代码（server.c）：创建共享内存并读取数据

#include "comm.h"
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main() {// 1. 创建4KB大小的共享内存（4096是内存页大小，避免内存碎片）int shmid = createShm(4096);if (shmid < 0) {printf("create shm failed\n");return 1;}printf("server: shmid = %d\n", shmid);// 2. 将共享内存挂载到当前进程地址空间（内核自动分配地址，读写模式）char *shmaddr = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);if (shmaddr == (void *)-1) { // 检查挂载是否成功perror("shmat error");return 1;}printf("server: attach shm success, addr = %p\n", shmaddr);// 3. 读取共享内存数据（等待客户端写入A-Z）sleep(2); // 等待客户端挂载并写入数据（实际项目需同步机制）int i = 0;while (i++ < 26) {printf("client write: %s\n", shmaddr); // 打印客户端写入的字符串sleep(1); // 每隔1秒读一次，观察数据变化}// 4. 卸载共享内存（断开与进程的关联，不删除内存段）if (shmdt(shmaddr) < 0) {perror("shmdt error");return 1;}printf("server: detach shm success\n");// 5. 等待客户端卸载后，删除共享内存（创建者负责清理）sleep(2);if (destroyShm(shmid) < 0) {printf("destroy shm failed\n");return 1;}printf("server: destroy shm success\n");return 0;
}

4. 客户端代码（client.c）：获取共享内存并写入数据

#include "comm.h"
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main() {// 1. 获取服务器创建的共享内存（大小需与服务器一致）int shmid = getShm(4096);if (shmid < 0) {printf("get shm failed\n");return 1;}printf("client: shmid = %d\n", shmid);// 2. 挂载共享内存（与服务器指向同一块物理内存）char *shmaddr = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);if (shmaddr == (void *)-1) {perror("shmat error");return 1;}printf("client: attach shm success, addr = %p\n", shmaddr);// 3. 向共享内存写入数据（字母A-Z，每次写一个字母并刷新）sleep(1); // 等待服务器先挂载（实际项目需同步机制）int i = 0;while (i < 26) {shmaddr[i] = 'A' + i;  // 写入当前字母shmaddr[i + 1] = '\0'; // 添加字符串结束符（避免乱码）i++;sleep(1); // 每隔1秒写一个字母，让服务器观察变化}// 4. 卸载共享内存（客户端无需删除，由服务器负责）sleep(2);if (shmdt(shmaddr) < 0) {perror("shmdt error");return 1;}printf("client: detach shm success\n");return 0;
}

5. 编译与运行脚本（Makefile）

# 目标可执行文件：服务器和客户端
.PHONY: all
all: server client# 编译客户端：依赖client.c和comm.c（共享函数实现）
client: client.c comm.cgcc -o $@ $^ -Wall  # -Wall显示所有警告，便于调试# 编译服务器：依赖server.c和comm.c
server: server.c comm.cgcc -o $@ $^ -Wall# 清理编译产物（可执行文件）
.PHONY: clean
clean:rm -f client server

6. 运行流程与结果分析

编译代码：

make all  # 生成server和client可执行文件

启动服务器：

./server
# 输出：
# server: shmid = 688145（shmid随系统不同而变化）
# server: attach shm success, addr = 0x7f8b8a700000

服务器创建共享内存并挂载后，会休眠 2 秒等待客户端写入数据。

启动客户端（新终端）：

./client
# 输出：
# client: shmid = 688145（与服务器shmid一致，说明获取成功）
# client: attach shm success, addr = 0x7f1234500000

客户端挂载共享内存后，每隔 1 秒写入一个字母（A→B→…→Z）。

服务器输出：

服务器会每隔 1 秒读取共享内存，打印客户端写入的字符串：

client write: A
client write: AB
client write: ABC
...
client write: ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ
server: detach shm success
server: destroy shm success

7. 关键问题与注意事项

共享内存的 “无同步” 问题：

上述代码中用sleep等待数据写入，这是临时方案。实际项目中，共享内存不自带同步与互斥机制，若多个进程同时读写，会导致数据混乱（如客户端未写完，服务器已读取）。解决方案是结合 “管道” 或 “信号量” 实现同步（见实战 2）。
共享内存的生命周期：

共享内存的生命周期随内核（而非进程），即使所有进程卸载（shmdt），内存段仍存在于内核中，需通过shmctl(IPC_RMID)或命令ipcrm -m shmid手动删除。若未删除，再次运行服务器会报错 “shmget: File exists”。
查看与删除共享内存的命令：

ipcs -m          # 查看所有共享内存段（含shmid、权限、挂载数）
ipcrm -m 688145  # 删除shmid为688145的共享内存段

1.5 共享内存实战 2：结合管道实现同步控制

为解决共享内存 “无同步” 的问题，我们引入管道作为同步信号：客户端写入数据后，通过管道向服务器发送 “唤醒信号”；服务器等待管道信号后，再读取共享内存，确保数据已写完。

1. 公共头文件（Comm.hpp）：封装共享内存与管道操作

#pragma once#include <fcntl.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <cassert>
#include <cstdio>
#include <ctime>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <string>using namespace std;// 日志级别定义（便于调试）
#define Debug 0
#define Notice 1
#define Warning 2
#define Error 3// 日志消息数组
const std::string msg[] = {"Debug", "Notice", "Warning", "Error"};// 日志函数：打印时间、级别、消息
std::ostream &Log(std::string message, int level) {std::cout << " | " << (unsigned)time(nullptr) << " | " << msg[level] << " | " << message;return std::cout;
}// 共享内存与管道的约定参数（服务器和客户端一致）
#define PATH_NAME "/home/hyb"  // 生成key的路径（需存在）
#define PROJ_ID 0x66           // 项目ID
#define SHM_SIZE 4096          // 共享内存大小（4KB，页整数倍）
#define FIFO_NAME "./fifo"     // 管道文件名（用于同步）// 管道初始化类：构造时创建管道，析构时删除管道（RAII思想）
class Init {
public:Init() {umask(0); // 清除权限掩码，确保管道权限为0666// 创建命名管道（若已存在，mkfifo返回-1，忽略EEXIST错误）int n = mkfifo(FIFO_NAME, 0666);assert(n == 0 || (n == -1 && errno == EEXIST));(void)n; // 消除未使用变量警告Log("create fifo success", Notice) << "\n";}~Init() {unlink(FIFO_NAME); // 程序退出时删除管道文件（避免残留）Log("remove fifo success", Notice) << "\n";}
};// 管道操作封装
#define READ O_RDONLY  // 读模式
#define WRITE O_WRONLY // 写模式// 打开管道（断言确保成功，简化错误处理）
int OpenFIFO(std::string pathname, int flags) {int fd = open(pathname.c_str(), flags);assert(fd >= 0); // 若打开失败，直接终止程序（实际项目可改为返回错误码）return fd;
}// 关闭管道
void CloseFifo(int fd) {close(fd);
}// 等待同步信号（服务器调用，阻塞直到客户端发送信号）
void Wait(int fd) {Log("等待客户端写入数据...", Notice) << "\n";uint32_t temp = 0;// 从管道读4字节数据（仅作信号，不关心内容）ssize_t s = read(fd, &temp, sizeof(uint32_t));assert(s == sizeof(uint32_t));(void)s;
}// 发送同步信号（客户端调用，通知服务器数据已写入）
void Signal(int fd) {uint32_t temp = 1; // 信号内容（任意值，仅需触发读操作）ssize_t s = write(fd, &temp, sizeof(uint32_t));assert(s == sizeof(uint32_t));(void)s;Log("数据已写入，通知服务器读取...", Notice) << "\n";
}// 辅助函数：将key转换为十六进制字符串（调试用）
string TransToHex(key_t k) {char buffer[32];snprintf(buffer, sizeof(buffer), "0x%x", k);return buffer;
}

2. 服务器代码（ShmServer.cc）：等待管道信号后读共享内存

#include "Comm.hpp"// 全局管道初始化对象：程序启动时创建管道，退出时删除
Init init;int main() {// 1. 生成共享内存的keykey_t k = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID);assert(k != -1); // 确保key生成成功Log("create key done", Debug) << " server key : " << TransToHex(k) << endl;// 2. 创建共享内存（IPC_CREAT|IPC_EXCL确保全新，避免冲突）int shmid = shmget(k, SHM_SIZE, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);if (shmid == -1) {perror("shmget error");exit(1);}Log("create shm done", Debug) << " shmid : " << shmid << endl;// 3. 挂载共享内存（读写模式）char* shmaddr = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);assert(shmaddr != (void*)-1);Log("attach shm done", Debug) << " shmid : " << shmid << endl;// 4. 打开管道（读模式，阻塞等待客户端写入信号）int fifo_fd = OpenFIFO(FIFO_NAME, READ);// 5. 循环读取共享内存（直到客户端发送"quit"）while (true) {Wait(fifo_fd); // 等待客户端的同步信号（确保数据已写入）// 临界区：读取共享内存数据printf("server read: %s\n", shmaddr);// 若客户端发送"quit"，退出循环if (strcmp(shmaddr, "quit") == 0) {break;}}// 6. 清理资源CloseFifo(fifo_fd);          // 关闭管道shmdt(shmaddr);              // 卸载共享内存Log("detach shm done", Debug) << " shmid : " << shmid << endl;shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr); // 删除共享内存Log("delete shm done", Debug) << " shmid : " << shmid << endl;return 0;
}

3. 客户端代码（ShmClient.cc）：写共享内存后发送管道信号

#include "Comm.hpp"int main() {// 1. 生成与服务器相同的keykey_t k = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID);if (k < 0) {Log("create key failed", Error) << " client key : " << TransToHex(k) << endl;exit(1);}Log("create key done", Debug) << " client key : " << TransToHex(k) << endl;// 2. 获取共享内存（不使用IPC_EXCL，允许获取已存在的内存段）int shmid = shmget(k, SHM_SIZE, 0);if (shmid < 0) {Log("get shm failed", Error) << " client key : " << TransToHex(k) << endl;exit(2);}Log("get shm success", Debug) << " shmid : " << shmid << endl;// 3. 挂载共享内存（读写模式）char* shmaddr = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);if (shmaddr == (void*)-1) {Log("attach shm failed", Error) << " client key : " << TransToHex(k) << endl;exit(3);}Log("attach shm success", Debug) << " shmid : " << shmid << endl;// 4. 打开管道（写模式，用于发送同步信号）int fifo_fd = OpenFIFO(FIFO_NAME, WRITE);// 5. 循环向共享内存写入数据（从键盘输入）while (true) {Log("请输入要发送的数据（输入'quit'退出）：", Notice) << "\n";fflush(stdout); // 刷新输出缓冲区，确保提示语立即显示// 从键盘读取数据（写入共享内存，预留1字节存结束符）ssize_t s = read(0, shmaddr, SHM_SIZE - 1);if (s > 0) {shmaddr[s - 1] = '\0'; // 去掉键盘输入的换行符（\n）Signal(fifo_fd); // 发送同步信号，通知服务器读取数据// 若输入"quit"，退出循环if (strcmp(shmaddr, "quit") == 0) {break;}}}// 6. 清理资源CloseFifo(fifo_fd); // 关闭管道shmdt(shmaddr);     // 卸载共享内存Log("detach shm success", Debug) << " shmid : " << shmid << endl;return 0;
}

4. 编译与运行

编译代码：

g++ ShmServer.cc -o shm_server -std=c++11
g++ ShmClient.cc -o shm_client -std=c++11

启动服务器：

./shm_server
# 输出：
#  | 1718000000 | Notice | create fifo success
#  | 1718000000 | Debug | create key done server key : 0x66000001
#  | 1718000000 | Debug | create shm done shmid : 688145
#  | 1718000000 | Debug | attach shm done shmid : 688145
#  | 1718000000 | Notice | 等待客户端写入数据...

服务器打开管道后进入阻塞状态，等待客户端的同步信号。

启动客户端（新终端）：

./shm_client
# 输出：
#  | 1718000005 | Debug | create key done client key : 0x66000001
#  | 1718000005 | Debug | get shm success shmid : 688145
#  | 1718000005 | Debug | attach shm success shmid : 688145
#  | 1718000005 | Notice | 请输入要发送的数据（输入'quit'退出）：

客户端输入数据：

输入 “hello shared memory”，客户端会写入共享内存并发送信号，服务器收到信号后读取并打印数据：

# 客户端输出：
#  | 1718000010 | Notice | 数据已写入，通知服务器读取...
#  | 1718000010 | Notice | 请输入要发送的数据（输入'quit'退出）：# 服务器输出：
#  | 1718000010 | Notice | 等待客户端写入数据...
# server read: hello shared memory
#  | 1718000010 | Notice | 等待客户端写入数据...

退出程序：

客户端输入 “quit”，服务器读取后退出，客户端也退出，管道文件被自动删除。

5. 同步机制的核心价值

通过管道的 “信号通知”，我们确保了 “客户端先写、服务器后读” 的顺序，避免了共享内存的 “脏读” 问题。这种 “共享内存 + 管道” 的组合，兼顾了共享内存的高效性和管道的同步能力，是实际项目中常用的设计模式。

1.6 共享内存核心知识点总结

特性	说明
通信效率	最高（数据直接在内存中共享，不经过内核拷贝）
同步互斥	不自带，需结合管道、信号量等实现
生命周期	随内核（需手动`shmctl(IPC_RMID)`或重启系统删除）
数据边界	无（需通信双方约定数据格式，如固定长度、特殊分隔符）
适用场景	高频、大数据量的进程间通信（如数据库缓存共享、实时数据传输）
关键函数	`shmget`（创建 / 获取）、`shmat`（挂载）、`shmdt`（卸载）、`shmctl`（控制）

二、System V 消息队列：结构化的消息传递

消息队列是 System V IPC 中用于 “结构化数据传输” 的机制，它将数据封装为 “消息”（含类型字段），接收进程可按类型筛选消息，解决了管道 “无结构字节流” 的问题。

2.1 消息队列的核心概念

消息结构：每个消息由 “消息类型”（long mtype）和 “消息数据”（char mtext[]）组成，内核通过struct msg_msg结构管理消息。
队列特性：消息按 “先进先出”（FIFO）排序，接收进程可指定接收特定类型的消息（如只接收类型为 3 的消息），无需按发送顺序读取。
生命周期：随内核（需手动删除或重启系统，否则会残留）。

2.2 消息队列核心函数

消息队列的操作依赖 3 个核心函数：msgget（创建 / 获取）、msgsnd（发送消息）、msgrcv（接收消息）、msgctl（控制 / 删除）。

1. `msgget`：创建或获取消息队列

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>// 功能：创建或获取消息队列
// 参数：
//   key：消息队列的全局key（通过ftok生成）
//   msgflg：权限标志 + 行为控制（如IPC_CREAT、IPC_EXCL）
// 返回值：成功返回消息队列标识（msgqid），失败返回-1
int msgget(key_t key, int msgflg);

参数与shmget类似：msgflg常用IPC_CREAT | 0666（创建或获取），IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666（创建全新队列）。

2. `msgsnd`：发送消息到队列

// 功能：向消息队列发送一条消息
// 参数：
//   msgqid：消息队列标识（msgget返回值）
//   msgp：指向消息结构的指针（需自定义，首字段必须是long mtype）
//   msgsz：消息数据（mtext）的长度（不含mtype）
//   msgflg：发送选项（0表示阻塞，IPC_NOWAIT表示非阻塞）
// 返回值：成功返回0，失败返回-1
int msgsnd(int msgqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);

自定义消息结构示例：

// 消息结构：首字段必须是long mtype（消息类型，>0）
struct Msg {long mtype;       // 消息类型（如1、2、3）char mtext[1024]; // 消息数据（可自定义长度）
};

3. `msgrcv`：从队列接收消息

// 功能：从消息队列接收一条消息
// 参数：
//   msgqid：消息队列标识
//   msgp：存储接收消息的缓冲区（与发送方消息结构一致）
//   msgsz：消息数据（mtext）的最大长度（避免缓冲区溢出）
//   msgtyp：接收消息的类型筛选规则（关键！）
//   msgflg：接收选项（0表示阻塞，IPC_NOWAIT表示非阻塞）
// 返回值：成功返回接收的消息数据长度，失败返回-1
ssize_t msgrcv(int msgqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);

msgtyp筛选规则：

msgtyp = 0：接收队列中的第一条消息（不筛选类型）。
msgtyp > 0：接收队列中类型等于msgtyp的第一条消息（按类型精准接收）。
msgtyp < 0：接收队列中类型小于或等于msgtyp绝对值的最小类型消息（按优先级接收）。

4. `msgctl`：控制消息队列（查询 / 修改 / 删除）

// 功能：对消息队列执行控制操作
// 参数：
//   msgqid：消息队列标识
//   cmd：控制命令（IPC_STAT、IPC_SET、IPC_RMID）
//   buf：指向`struct msqid_ds`的指针（存储/修改队列属性）
// 返回值：成功返回0，失败返回-1
int msgctl(int msgqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

核心命令与共享内存类似：

IPC_STAT：查询队列属性（如消息数、最大字节数）。
IPC_SET：修改队列属性（如权限、最大字节数）。
IPC_RMID：删除消息队列（即使队列非空，也会立即删除）。

2.3 消息队列数据结构：`struct msqid_ds`

内核通过struct msqid_ds管理消息队列的元数据，核心字段如下：

struct msqid_ds {struct ipc_perm msg_perm;  // 权限信息（key、uid、gid、mode）time_t msg_stime;          // 最后一次发送消息（msgsnd）的时间time_t msg_rtime;          // 最后一次接收消息（msgrcv）的时间time_t msg_ctime;          // 最后一次修改（如IPC_SET）的时间unsigned long msg_cbytes;  // 队列中当前消息的总字节数unsigned long msg_qnum;    // 队列中当前消息的数量unsigned long msg_qbytes;  // 队列允许的最大字节数（默认16384）pid_t msg_lspid;           // 最后一次发送消息的进程PIDpid_t msg_lrpid;           // 最后一次接收消息的进程PID// 其他字段...
};

2.4 消息队列的特点与适用场景

特性	说明
数据结构	结构化消息（含类型字段），接收方可按类型筛选
通信效率	低于共享内存（消息需拷贝到内核队列，再从内核拷贝到进程）
同步互斥	自带阻塞机制（无消息时`msgrcv`阻塞，队列满时`msgsnd`阻塞）
生命周期	随内核（需手动`msgctl(IPC_RMID)`删除）
适用场景	需按类型接收消息的场景（如多客户端向服务器发送不同类型的请求）
局限性	消息大小和队列总大小有限制（默认单条消息≤8192 字节，队列总≤16384 字节）

三、System V 信号量：解决并发同步与互斥

信号量并非用于传递数据，而是用于控制多个进程对临界资源的访问，确保 “同步”（按顺序访问）和 “互斥”（同一时间仅一个进程访问）。

3.1 核心概念铺垫

在学习信号量前，需先理解并发编程中的 3 个关键概念：

临界资源：多个进程可共享但需 “互斥访问” 的资源（如共享内存、打印机、文件）。
临界区：进程中访问临界资源的代码段（需保护的核心逻辑）。
同步与互斥：
- 互斥：任意时刻仅允许一个进程进入临界区（如多个进程写同一文件，需确保同一时间仅一个写）。
- 同步：多个进程按约定顺序进入临界区（如 “生产者” 生产数据后，“消费者” 才能消费）。

3.2 信号量的本质：计数器与预订机制

信号量的本质是一个内核维护的计数器，通过 “P 操作”（申请资源）和 “V 操作”（释放资源）实现对临界资源的控制：

P 操作（Proberen，荷兰语 “检查”）：计数器减 1。若结果≥0，说明资源可用，进程继续执行；若结果 < 0，进程阻塞等待。
V 操作（Verhogen，荷兰语 “增加”）：计数器加 1。若结果≤0，说明有进程在等待资源，唤醒一个阻塞的进程。

关键类比：信号量如同电影院的座位计数器 ——

座位总数为N，信号量初始值设为N。
观众购票（申请资源）：执行 P 操作，计数器减 1（若计数器≥0，可入场）。
观众离场（释放资源）：执行 V 操作，计数器加 1（若有观众排队，唤醒下一位）。

3.3 System V 信号量的特殊之处

System V 信号量并非单个计数器，而是信号量集（一组计数器），可同时管理多个相关的临界资源。例如，用一个信号量集管理 3 个打印机，每个信号量对应一个打印机的状态。

3.4 信号量核心函数

信号量的操作依赖 4 个核心函数：semget（创建 / 获取信号量集）、semop（执行 P/V 操作）、semctl（控制 / 删除信号量集）。

1. `semget`：创建或获取信号量集

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>// 功能：创建或获取信号量集
// 参数：
//   key：信号量集的全局key（ftok生成）
//   nsems：信号量集中的信号量数量（如3表示创建3个计数器）
//   semflg：权限标志 + 行为控制（IPC_CREAT、IPC_EXCL）
// 返回值：成功返回信号量集标识（semid），失败返回-1
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

示例：创建一个含 2 个信号量的信号量集，权限 0666：

int semid = semget(ftok(".", 0x66), 2, IPC_CREAT | 0666);

2. `semop`：执行 P/V 操作（核心）

// 功能：对信号量集中的一个或多个信号量执行P/V操作
// 参数：
//   semid：信号量集标识
//   sops：指向`struct sembuf`数组的指针（描述每个信号量的操作）
//   nsops：sops数组的长度（操作的信号量数量）
// 返回值：成功返回0，失败返回-1
int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);// 信号量操作结构：描述对单个信号量的操作
struct sembuf {unsigned short sem_num;  // 信号量在集中的索引（0表示第一个）short sem_op;            // 操作类型（-1=P操作，+1=V操作）short sem_flg;           // 操作选项（0=阻塞，IPC_NOWAIT=非阻塞）
};

示例 1：对索引 0 的信号量执行 P 操作（申请资源）

struct sembuf sop;
sop.sem_num = 0;    // 操作第0个信号量
sop.sem_op = -1;    // P操作：计数器减1
sop.sem_flg = 0;    // 阻塞等待资源
semop(semid, &sop, 1); // 执行1个操作

示例 2：对索引 0 的信号量执行 V 操作（释放资源）

sop.sem_op = +1;    // V操作：计数器加1
semop(semid, &sop, 1);

3. `semctl`：控制信号量集（初始化 / 删除）

// 功能：对信号量集执行控制操作（初始化、查询、删除）
// 参数：
//   semid：信号量集标识
//   semnum：信号量在集中的索引（0表示第一个，若cmd=IPC_RMID则忽略）
//   cmd：控制命令（SETVAL、GETVAL、IPC_RMID等）
//   arg：联合结构（存储信号量值或属性）
// 返回值：成功返回0或信号量值，失败返回-1
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);// 信号量控制的联合结构（需手动定义，内核不提供）
union semun {int val;                // 用于SETVAL（设置信号量初始值）struct semid_ds *buf;   // 用于IPC_STAT/IPC_SET（查询/修改属性）unsigned short *array;  // 用于GETALL/SETALL（获取/设置所有信号量值）struct seminfo *__buf;  // 用于IPC_INFO（获取系统级信息）
};

核心命令示例：

初始化信号量值（SETVAL）：

union semun su;
su.val = 1; // 信号量初始值设为1（互斥锁：仅允许一个进程访问）
semctl(semid, 0, SETVAL, su); // 初始化第0个信号量

获取信号量当前值（GETVAL）：

int val = semctl(semid, 0, GETVAL, 0); // 获取第0个信号量的值
printf("semaphore value: %d\n", val);

删除信号量集（IPC_RMID）：

semctl(semid, 0, IPC_RMID, 0); // 删除整个信号量集

3.5 信号量实战：保护共享内存的互斥访问

下面用 “信号量 + 共享内存” 实现互斥访问：两个进程同时写共享内存，通过信号量确保同一时间仅一个进程写入，避免数据混乱。

1. 代码实现（sem_shm.c）

#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <perror.h>// 信号量控制联合结构
union semun {int val;struct semid_ds *buf;unsigned short *array;
};// 初始化信号量（设置初始值）
int sem_init(int semid, int semnum, int val) {union semun su;su.val = val;return semctl(semid, semnum, SETVAL, su);
}// P操作（申请资源）
int sem_p(int semid, int semnum) {struct sembuf sop;sop.sem_num = semnum;sop.sem_op = -1; // 计数器减1sop.sem_flg = 0; // 阻塞等待return semop(semid, &sop, 1);
}// V操作（释放资源）
int sem_v(int semid, int semnum) {struct sembuf sop;sop.sem_num = semnum;sop.sem_op = +1; // 计数器加1sop.sem_flg = 0;return semop(semid, &sop, 1);
}// 删除信号量集
int sem_destroy(int semid) {return semctl(semid, 0, IPC_RMID, 0);
}int main(int argc, char *argv[]) {if (argc != 2) {printf("Usage: %s <message>\n", argv[0]);return 1;}const char *msg = argv[1]; // 进程要写入共享内存的消息// 1. 生成key（共享内存和信号量用相同key）key_t key = ftok(".", 0x66);if (key < 0) {perror("ftok error");return 1;}// 2. 创建/获取共享内存（4KB）int shmid = shmget(key, 4096, IPC_CREAT | 0666);if (shmid < 0) {perror("shmget error");return 1;}// 3. 创建/获取信号量集（含1个信号量，用于互斥）int semid = semget(key, 1, IPC_CREAT | 0666);if (semid < 0) {perror("semget error");return 1;}// 4. 初始化信号量（仅第一个进程执行，避免重复初始化）static int init_flag = 0;if (!init_flag) {if (sem_init(semid, 0, 1) < 0) { // 初始值1（互斥锁）perror("sem_init error");return 1;}init_flag = 1;}// 5. 挂载共享内存char *shmaddr = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);if (shmaddr == (void *)-1) {perror("shmat error");return 1;}// 6. 互斥访问共享内存（临界区保护）sem_p(semid, 0); // P操作：申请资源（进入临界区）printf("Process %d (PID: %d) write: %s\n", getpid() % 2, getpid(), msg);strcat(shmaddr, msg); // 写入共享内存（临界区操作）strcat(shmaddr, "\n");sleep(2); // 模拟耗时操作，放大并发问题sem_v(semid, 0); // V操作：释放资源（退出临界区）// 7. 打印共享内存当前内容（验证互斥效果）printf("Current shared memory content:\n%s", shmaddr);// 8. 清理资源（仅第一个进程执行）if (init_flag) {shmdt(shmaddr);sem_destroy(semid);shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);init_flag = 0;}return 0;
}

2. 运行与验证

编译代码：

gcc sem_shm.c -o sem_shm

启动两个进程同时写入：

终端 1：./sem_shm "process1: hello"
终端 2（立即启动）：./sem_shm "process2: world"

预期输出：

由于信号量的互斥保护，两个进程会依次写入共享内存，内容无混乱：

# 终端1输出：
Process 1 (PID: 1234) write: process1: hello
Current shared memory content:
process1: hello# 终端2输出（等待2秒后）：
Process 0 (PID: 1235) write: process2: world
Current shared memory content:
process1: hello
process2: world

无信号量的对比：

若注释掉sem_p和sem_v操作，两个进程会同时写入，导致数据混乱（如 “process1: helloprocess2: world”）。

3.6 信号量核心知识点总结

特性	说明
核心作用	控制临界资源访问，实现同步与互斥
本质	内核维护的计数器，通过 P/V 操作实现资源预订
System V 特性	以 “信号量集” 为单位管理，支持同时操作多个信号量
生命周期	随内核（需手动`semctl(IPC_RMID)`删除）
适用场景	多进程共享临界资源的场景（如共享内存写保护、多进程文件读写）
关键函数	`semget`（创建 / 获取）、`semop`（P/V 操作）、`semctl`（初始化 / 删除）

四、内核如何管理 System V IPC 资源

无论是共享内存、消息队列还是信号量，内核都通过统一的结构体系进行管理，核心是 “struct ipc_ids + 资源元数据结构”。

4.1 内核管理的核心结构

内核为每类 System V IPC 资源（共享内存、消息队列、信号量）维护一个全局的struct ipc_ids结构，用于跟踪系统中所有该类资源：

// 内核中管理IPC资源的全局结构（以信号量为例，共享内存、消息队列类似）
struct ipc_ids sem_ids;// IPC资源数组结构：存储资源元数据指针
struct ipc_id_ary {int size;                      // 数组大小struct kern_ipc_perm *p[0];    // 柔性数组：指向资源元数据（如sem_array、shmid_kernel）
};// 核心管理结构：跟踪资源的数量、最大ID、序列号等
struct ipc_ids {int in_use;                    // 当前使用的资源数量int max_id;                    // 已分配的最大资源IDunsigned short seq;            // 序列号（用于生成唯一ID）unsigned short seq_max;        // 序列号最大值struct mutex mutex;            // 互斥锁：保护对ipc_ids的并发访问struct ipc_id_ary nullentry;   // 空数组（初始化用）struct ipc_id_ary *entries;    // 指向资源数组（ipc_id_ary）
};

管理流程：

资源创建：进程调用shmget/msgget/semget时，内核检查ipc_ids.entries数组，若有空闲位置则分配资源，初始化元数据（如shmid_ds），并将元数据指针存入数组。
资源标识：内核通过 “seq * IPC_ID_MAX + id” 生成唯一资源 ID（shmid/msgqid/semid），其中id是资源在entries数组中的索引，seq用于避免 ID 重复（当id循环使用时，seq递增）。
资源访问：进程通过资源 ID（如shmid），内核解析出seq和id，检查seq是否匹配（避免访问已删除的资源），再通过id从entries数组中获取元数据，执行后续操作（如shmat/msgsnd）。
资源删除：进程调用shmctl(IPC_RMID)等命令时，内核标记资源为 “已删除”（kern_ipc_perm.deleted = 1），若当前无进程使用该资源，则释放内存并从entries数组中移除。

4.2 所有 System V IPC 资源的公共权限结构

共享内存、消息队列、信号量的元数据结构（shmid_ds、msqid_ds、sem_array）都包含一个struct kern_ipc_perm子结构，用于存储公共的权限信息：

struct kern_ipc_perm {spinlock_t lock;   // 自旋锁：保护该结构的并发访问int deleted;       // 资源是否已删除（1=已删除）key_t key;         // 资源的key（全局标识）uid_t uid;         // 资源所有者的用户IDgid_t gid;         // 资源所有者的组IDuid_t cuid;        // 资源创建者的用户IDgid_t cgid;        // 资源创建者的组IDmode_t mode;       // 资源权限位（如0666）unsigned long seq; // 序列号（与ipc_ids.seq一致，用于验证资源有效性）
};

权限检查逻辑：

当进程访问 IPC 资源时（如shmat、msgsnd），内核会检查kern_ipc_perm中的uid、gid、mode：

若进程是资源所有者（uid匹配），则按mode的 “所有者权限”（前 3 位，如 0666 中的 6）判断。
若进程属于资源的组（gid匹配），则按 “组权限”（中间 3 位）判断。
其他进程按 “其他权限”（后 3 位）判断。

4.3 内核管理的核心特点

统一管理框架：三类 System V IPC 资源共用相同的ipc_ids管理结构，仅资源元数据结构不同，降低内核实现复杂度。
生命周期随内核：资源创建后，即使创建者进程退出，资源仍存在于内核中，需手动删除或重启系统，避免意外丢失数据。
安全的权限控制：通过kern_ipc_perm结构实现细粒度的权限管理，确保资源不被未授权进程访问。
高效的资源查找：通过 “ID 解析→数组索引” 的方式快速定位资源元数据，避免遍历查找。

五、总结：System V IPC 与管道的对比与选型

通过两篇文章的学习，我们已掌握 Linux IPC 的核心技术：管道（匿名 / 命名）和 System V IPC（共享内存、消息队列、信号量）。下表对比各类 IPC 的核心特性，帮助你在实际项目中选型：

IPC 机制	通信效率	数据结构	同步互斥	生命周期	适用场景
匿名管道	中	字节流	自带	随进程	亲缘进程间简单数据传输（如父子进程通信）
命名管道	中	字节流	自带	随内核	无亲缘进程间简单数据传输（如跨程序通信）
System V 共享内存	最高	无结构	需手动实现	随内核	高频、大数据量通信（如缓存共享、实时传输）
System V 消息队列	低	结构化（带类型）	自带	随内核	按类型接收消息（如多客户端请求处理）
System V 信号量	无（不传数据）	无	自带	随内核	临界资源同步互斥（如保护共享内存）