一、共享内存
1、简单介绍
（1）共享内存是最快的IPC形式。一旦这样的内存映射到共享它的进程的地址空间，这些进程间的数据传递不再涉及内核，即进程不再通过执行进入内核的系统调用来传递彼此的数据。
（2）共享内存的生命周期随内核。
（3）注意：共享内存未提供任何保护资源，即共享内存自身没有同步与互斥机制，但它是临界资源，所以我们需要利用其它机制来保证数据的正确性，Linux下就可以用信号量达到同步的目的。
（4）linux共享内存有两种方式（本文主要介绍shmget方式）：
1）mmap方式，适用于父子进程之间，创建的内存非常大时；
2）shmget方式，适用于同一台电脑上不同进程之间，创建的内存相对较小。
（5）进程间利用共享内存实现消息队列的基本原理如下图
2、相关函数介绍
（1）shmget函数
1）函数原型：
2）函数功能：创建共享内存
3）参数：
key：共享内存段名字
size：共享内存大小
shmflg：九个权限标志构成，用法与创建文件时用的mode一致
4）返回值：成功返回一个非负整数，即该共享内存段标识码；失败返回-1
（2）shmat函数
1）函数原型：
2）函数功能：将共享内存段连接到进程地址空间
3）参数：
shmid：共享内存标识码
shmaddr：指定连接的地址
shmflg：两个可能取值SHM_RND和SHM_RDONLY
4）返回值：成功返回一个指针，指向共享内存第一个节；失败返回-1
5）说明：
shmaddr为NULL时，核心自动选择一个地址；
shmaddr不为NULL且shmflg无SHM_RND标记，则以shmaddr为连接地址；
shmaddr不为NULL时，且shmflg设置了SHM_RND标记，则连接的地址会自动向下调整为SHMLBA的整数倍，相应公式为：shmadrr - （shmadrr % SHMLBA）；
shmflg = SHM_RDONLY，表示连接操作用来只读共享内存
（3）shmdt函数
1）函数原型：
2）函数功能：将共享内存段与当前进程脱离
3）参数：
shmadrr：由shmat函数返回的指针
4）返回值：成功返回0；失败返回-1
5）注意：将共享内存段与当前进程脱离不等于删除共享内存段
（4）shmctl函数
1）函数原型：
2）函数功能：用于控制共享内存
3）参数：
shmid：由shmget函数返回的共享内存标识码
cmd：将要采取的动作，有三个可取值
buf：指向一个保存着共享内存的模式状态和访问权限的数据结构
4）返回值：成功返回0；失败返回-1
3、共享内存实现进程间的单向通信
（1）创建一个文件用于实现创建、销毁共享内存，向共享内存里发消息收消息等函数，文件为它相应的头文件等内容
-
#include <sys/>
-
#include <sys/>
-
#include <sys/>
-
-
#define PATHNAME "."
-
#define PROJ_ID 0x6666
-
#include ""
-
static int _CreateShm(int size, int flags)
-
{
-
key_t key = ftok(PATHNAME, PROJ_ID);
-
if(key < 0)
-
{
-
perror("ftok");
-
return -1;
-
}
-
int shmid;//共享内存标识码(非负整数)
-
if((shmid = shmget(key, size, flags)) < 0)//创建共享内存失败时返回-1
-
{
-
perror("shmget");
-
return -2;
-
}
-
return shmid;//将创建的共享内存的标识码返回，以实现后续代码
-
}
-
-
int CreateShm(int size)//创建一个新的共享内存
-
{
-
return _CreateShm(size, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);//已有该共享内存，返回-1；否则创建再返回标识码
-
}
-
-
int GetShm(int size)//获得共享内存标识码
-
{
-
return _CreateShm(size, IPC_CREAT);//已有该共享内存，返回标识码即可；没有则创建则创建
-
}
-
-
int DestroyShm(int shmid)
-
{
-
if((shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL)) < 0)
-
{
-
perror("shmctl");
-
return -1;
-
}
-
return 0;
-
}
（2）创建一个文件，用于创建、销毁共享内存，接收消息，实现代码如下：
-
include ""
-
#include<>
-
-
int main()
-
{
-
int shmid = CreateShm(4096);//创建一个共享内存
-
char* addr = shmat(shmid, NULL, 0);//将共享内存段连接到进程的地址空间,成功返回指向共享内存的第一个字节
-
sleep(6);//为了能够等到client进程向共享内存放消息，具体等几秒自己把握，如不等，接收的消息会少一点
-
int i = 0;
-
while(i++ < 26)
-
{
-
printf("client# %s\n",addr);
-
sleep(1);//这里不等的话，26次循环很快就执行完了，你还没等到client向共享内存里放消息，它就运行完了
-
}
-
shmdt(addr);//将共享内存段与当前进程脱离
-
sleep(2);
-
DestroyShm(shmid);
-
return 0;
-
}
（3）创建一个文件，用于向共享内存里发消息
-
#include ""
-
#include<>
-
-
int main()
-
{
-
int shmid = GetShm(4096);//获得一个共享内存的标识码
-
sleep(1);
-
char* addr = shmat(shmid, NULL, 0);
-
sleep(2);
-
char x = 'A';
-
for(x='A'; x<='Z'; x++)//依次发送字母A-Z
-
{
-
addr[x-'A'] = x;
-
addr[x-'A'+1] = '\0';
-
sleep(1);
-
}
-
shmdt(addr);
-
sleep(2);
-
return 0;
-
}
（4）运行结果如下：
同样在运行时，要先运行server.c文件，因为它要先创建消息队列，才能实现进程间通信。可以看到，当server打印26次消息后，就会结束此次通信。我们的预想是，server接到client发送的A-Z的26条消息，并依次打印，但在代码中sleep的时间不同，会有不一样的结果，这个得根据自身在运行时的速度以及等待的时间决定。
4、删除消息队列IPC资源
之前在另一文章我提到过一句话：IPC资源在用完后必须删除。如以上的代码，若是正常跑完IPC资源会被代码删除，若是我们用ctrl+c终止进程，则代码不能删除IPC资源。这样在下次运行代码时，就会出现以下问题：
这个问题产生的原因就是IPC资源未删除，所以我们要学两条命令用来删除消息队列的IPC资源：
删除后，该IPC资源就没有了
二、信号量
信号量主要用于同步与互斥。本质上是一个计数器，里面记录了临界资源的数目。信号量的生命周期也随内核。
1、进程互斥
（1）由于各进程要求共享资源，而且有些资源需要互斥使用。因此各进程间竞争使用这些资源，进程的这种关系即为进程的互斥；
（2）系统中某些资源一次只能让一个进程使用，这样的资源叫做临界资源或互斥资源；
（3）在进程中涉及到互斥资源的程序段叫做临界区。
2、进程同步
进程同步是指多个进程需要相互配合共同完成同一项任务
3、信号量和P、V原语
（1）信号量和P、V原语由迪杰斯特拉（Dijkstra）提出，信号量值为1的为二元信号量，又称为互斥锁。
（2）信号量
同步：P、V在不同进程中
互斥：P、V在同一进程中
（3）信号量值含义：
S>0：S表示可用资源的数目
S=0：表示无可用资源，无等待进程
S<0：ISI表示等待队列中的进程数
（4）信号量结构体伪代码
信号量本质上其实是一个计数器（整型变量），它维护等待队列。
-
struct semaphore
-
{
-
int value;
-
pointer_PCB queue;
-
};
（5）P原语
-
//减1操作
-
P(s)
-
{
-
= --;
-
if( < 0)
-
{
-
该进程状态置为等待状态
-
将该进程的PCB插入到相应的等待队列队尾
-
}
-
}
（6）V原语
-
//加1操作
-
V(s)
-
{
-
= ++;
-
if( >= 0)
-
{
-
唤醒相应等待队列中等待的一个进程
-
改变其状态为就绪态
-
并将其插入到就绪队列
-
}
-
}
注意：P、V原语都是原子操作
4、信号量集相关函数
信号量是以多个即集申请的，而不是单个申请。维护一种临界资源需要一个信号量，所以维护多种临界资源就需要多个信号量。多种信号量组成一个信号量集。信号量集可以看做是计数器的个数，信号量值可看作计数器的个数。信号量集是以数组形式进行组织的，以下标来提取各个信号，数组元素表示信号量的值即临界资源的数目。
（1）semget函数
1）函数原型
2）函数功能：创建和访问一个信号量集
3）参数
key：信号集的名字
nsems：信号集中信号量的个数
semflg：九个权限标志构成，用法与创建文件的mode模式标志一致
4）返回值：成功返回一个非负整数即该信号集的标识码；失败返回-1
（2）semctl函数
1）函数原型
2）函数功能：控制信号量集
3）参数：
semid：由semget函数返回的信号量集标识码
semnum：信号量集中信号量的序号
cmd：将要采取的动作（有三个可取值）
4）返回值：成功返回0，失败返回-1
（3）semop函数
1）函数原型
2）函数功能：创建和访问一个信号量集
3）参数
semid：由semget函数返回的信号量的标识码
sops：是个指向一个结构数值的指针
nsops：信号量的个数
4）返回值：成功返回0；失败返回-1
5）说明：
-
struct sembuf
-
{
-
short sem_num;//信号量的编号
-
short sem_op;//信号量一次PV操作时加减的数值，一般只会用到两个值：
-
//一个是“-1”，即P操作，等待信号量变得可用
-
//另一个是“+1”，即V操作，发出信号量已经变得可用
-
short sem_flg;//默认设为0，另外两个取值是IPC_NOWAIT或SEM_UNDO };
5、程序实现信号量的作用（采用二元信号量来测试）
创建一个文件，以封装信号量相关操作的函数，代码如下
-
//实现信号量的相关操作的函数
-
#include ""
-
-
static int _CreateSem(int nsems, int flags)//创建一个信号量
-
{
-
key_t key = ftok(PATHNAME, PROJ_ID);//产生key值
-
if(key < 0)
-
{
-
perror("ftok");
-
return -1;
-
}
-
int semid = semget(key, nsems, flags);//创建一个信号量
-
if(semid < 0)
-
{
-
perror("semget");
-
return -2;
-
}
-
return semid;
-
}
-
-
int CreateSem(int nsems)//获得一个新的信号量集
-
{
-
return _CreateSem(nsems, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
-
}
-
-
int GetSem(int nsems)//获得一个信号量集的标识码
-
{
-
return _CreateSem(nsems, IPC_CREAT);
-
}
-
-
int InitSem(int semid, int semnum, int initval)//对信号量集进行初始化
-
{
-
union semun _un;
-
_un.val = initval;
-
if(semctl(semid, semnum, SETVAL, _un ) < 0)//设置信号量集中信号量的计数值
-
{
-
perror("semctl");
-
return -1;
-
}
-
return 0;
-
}
-
-
static int SemPV(int semid, int who, int op)//PV操作实现
-
{
-
struct sembuf _sf;
-
_sf.sem_num = who;//通过信号量的编号确定对哪个信号量进行操作
-
_sf.sem_op = op;//信号量一次PV操作时加减的数值
-
_sf.sem_flg = 0;
-
if(semop(semid, &_sf, 1) < 0)
-
{
-
perror("semop");
-
return -1;
-
}
-
return 0;
-
}
-
-
int P(int semid, int who)//对信号量进行P操作
-
{
-
return SemPV(semid, who, -1);//减1操作
-
}
-
-
int V(int semid, int who)//对信号量进行V操作
-
{
-
return SemPV(semid, who, +1);//即加1操作
-
}
-
-
int DestroySem(int semid)//销毁信号量集
-
{
-
if(semctl(semid, 0, IPC_RMID) < 0)//删除信号量集中序号为0的信号量
-
{
-
perror("semctl");
-
return -1;
-
}
-
}
它对应的头文件，代码如下：
-
#pragma once
-
-
#include <>
-
#include <sys/>
-
#include <sys/>
-
#include <sys/>
-
#include <>
-
#include <>
-
-
#define PATHNAME "."
-
#define PROJ_ID 0x6666
-
-
union semun
-
{
-
int val;//SETVAL用的值
-
struct semid_ds* buf;//IPC_STAT、IPC_SET用的
-
unsigned short* array;//GETALL、SETALL用的数组值
-
struct seminfo* _buf;//为IPC_INFO提供的缓存
-
};
测试代码如下：
运行结果如下：
可以看到，程序输出的结果很乱。因为程序中的父子进程都要向显示器打印数据，所以此时显示器就是一个临界资源。我们希望父子进程互斥使用它，即输出AA、BB而不会出现AB混合的情况，这种情况是父子进程在竞争的使用它，我们不知道它在什么时刻就会被会切换进程，造成这样的输出结果。所以我们要让它们互斥的访问以输出我们想要的结果，这时就可以用到信号量以实现互斥与同步，所以我们修改代码如下：
-
#include ""
-
-
int main()
-
{
-
int semid = CreateSem(1);//申请信号量为1的信号量集
-
InitSem(semid, 0 , 1);//将信号量的计数值初始化为1
-
-
pid_t id = fork();
-
if(id == 0)//child
-
{
-
int _semid = GetSem(0);
-
while(1)
-
{
-
P(_semid, 0);
-
printf("A");
-
fflush(stdout);
-
usleep(123456);
-
printf("A ");
-
fflush(stdout);
-
usleep(321456);
-
V(_semid, 0);
-
}
-
}
-
else//father
-
{
-
while(1)
-
{
-
P(semid, 0);
-
printf("B");
-
fflush(stdout);
-
usleep(223456);
-
printf("B ");
-
fflush(stdout);
-
usleep(121456);
-
V(semid, 0);
-
}
-
wait(NULL);//不关心子进程的退出状态
-
}
-
DestroySem(semid);
-
return 0;
-
}
此时，运行结果如下：
其实，我们只是在原有代码的基础上，对父子进程的每一次打印加了一个信号量的PV操作。当子进程开始打印时先进行P操作，将资源减去1，此时没有资源了，父进程只能等待，知道子进程打印一次之后进行V操作，此时资源数目为1。父进程也是同样的原理，我们不能控制让谁申请到临界资源，但是我们可以保证在当前进程使用资源时，不被其他进程切换进来，从而造成的数据不正确。
6、信号量资源的释放
以上的代码，因为我们设置的是死循环，所以代码不能执行到删除创建的信号量资源就被我们终止。这样在下次运行时会出现以下情况：
所以我们要学两条命令手动删除信号量资源：
再说一遍：IPC资源必须删除，否则不会自动清除，除非重启，所以System V IPC资源随内核。