进程间通信概述
1. 进程通信机制
一般情况下，系统中运行着大量的进程，而每个进程之间并不是相互独立的，有些进程之间经常需要互相传递消息。但是每个进程在系统中都有自己的地址空间，操作系统通过页表和实际物理内存所关联，不允许其他进程随意进入。因此，就必须有一种机制既能保证进程之间的通信，又能保证系统的安全，即进程间通信机制——IPC （Inter-Process Communication）。
Linux中的内存空间分为系统空间和用户空间。在系统空间中，由于各个线程的地址空间都是共享的，即一个线程能够随意访问kernel中的任意地址，所以无需进程通信机制的保护。而在用户空间中，每个进程都有自己的地址空间，一个进程为了与其他进程通信，必须陷入到有足够权限访问其他进程空间的kernel中，从而与其他进程进行通信。在Linux中支持System V 进程通信的手段有三种：消息队列（Message queue）、信号量（Semaphore）、共享内存（Shared memory）。
2. 进程通信对象标示符和键
在kernel中，对每一类I P C 对象，都由一个非负整数来索引。为了识别并唯一标识各个进程通信的对象，需要一个标识符（即IPC标示符）来标识各个通信对象。而为了获取一个独一无二的通信对象，必须使用键（可使用ftok( )函数生成，返回值key）。这里的键是用来定位I P C 对象的标识符的。
背景知识
1. 原子操作（atomic operation）
原子操作意为不可被中断的一个或一系列操作，也可以理解为就是一件事情要么做了，要么没做。而原子操作的实现，一般是依靠硬件来实现的。
2. 同步与互斥
同步：在访问资源的时候，以某种特定顺序的方式去访问资源
互斥：一个资源每次只能被一个进程所访问。
同步与互斥是保证在高效率运行的同时，可以正确运行。大部分情况下同步是在互斥的基础上进行的。
3. 临界资源
不同进程能够看到的一份公共的资源（如：打印机，磁带机等），且一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源。
4. 临界区
临界区是一段代码，在这段代码中进程将访问临界资源（例如：公用的设备或是存储器），当有进程进入临界区时，其他进程必须等待，有一些同步的机制必须在临界区段的进入点和离开点实现，确保这些共用资源被互斥所获得。
5. 相关命令
- ipcs -s 显示已存在的信号量
- ipcrm -s 删除指定信号量
注意：有时候因为权限问题需要在root下查看与删除。
什么是信号量(Semaphore)
信号量（Semaphore）可以被看做是一种具有原子操作的计数器，它控制多个进程对共享资源的访问，通常描述临界资源当中，临界资源的数目，常常被当做锁（lock）来使用，防止一个进程访问另外一个进程正在使用的资源。
信号量本身不具有数据交换的功能，而是控制其他资源来实现进程间通信，在此过程中负责数据操作操作的互斥、同步等功能。
简言之：信号量的主要目的是为了保护临界资源。
1. 为什么要使用信号量
为了防止出现因多个进程同时访问一个共享资源而引发的问题，我们需要一种方法，可以通过生成并使用令牌来授权，在任一时刻只能有一个执行流访问代码的临界区域。而信号量就可以提供这样的一种访问机制，让一个临界区同一时刻只有一个执行流在访问它。
2. 信号量的工作原理
-
测试控制该资源的信号量。
-
若此信号量的值为正，则进程可以使用该资源。进程将信号量值减1,，表示一个资源被使用。
-
若此信号量的值为0，则进程进入休眠状态，直至信号量值大于0，进程被唤醒，从新进入第1步。
-
当进程不再使用由一个信号控制的共享资源时，该信号量值增1，如果有进程正在休眠等待该信号量，则会被唤醒。
为了正确地实现信号量，信号量的操作应是原子操作，所以信号量通常是在内核中实现的。- 3. Linux的信号量机制
-
在System V中信号量并非是单个非负值，而必须将信号量定义为含有一个或多个信号量值的集合。当创建一个信号量时，要指定该集合中信号量值的数量。
-
创建信号量（semget）和对信号量赋初值（semctl）分开进行，这是一个弱点，因为不能原子地创建一个信号量集合，并且对该集合中各个信号量赋初值。
-
即使没有进程在使用I P C资源，它们仍然是存在的，要时刻防止资源被锁定，避免程序在异常情况下结束时没有解锁资源，可以使用关键字（SEM_UNDO ）在退出时恢复信号量值为初始值。
相关函数
1、ftok函数
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/types.h>
key_t ftok(const char* path, int id);-
ftok 函数把一个已存在的路径名和一个整数标识转换成一个key_t值，即IPC关键字
-
path 参数就是你指定的文件名（已经存在的文件名），一般使用当前目录。当产生键时，只使用id参数的低8位。
-
id 是子序号， 只使用8bit （1-255）
-
返回值：若成功返回键值，若出错返回（key_t）-1
在一般的UNIX实现中，是将文件的索引节点号取出（inode），前面加上子序号的到key_t的返回值
2、semget函数
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semget( key_t key, int nsems, int semflg);-
用来创建一个信号集，或者获取已存在的信号集。
-
key: 所创建或打开信号量集的键值（ftok成果执行的返回值）。
-
nsems：创建的信号量集中的信号量个数，该参数只在创建信号量时有效。
-
semflg ：调用函数的操作类型，也可用于设置信号量集的访问权限，通过or运算使用。
- IPC_CREAT | IPC _EXCL | 0666 ：一般用于创建，可保证返回一个新的ID，同时制定权限为666
- IPC_CREAT ： 用于获取一个已经存在的ID
-
返回值：成功返回信号量集的标识符，失败返回-1，errno被设置成以下的某个值：
- EACESS : 没有访问该信号量集的权限。
- EEXIST：信号量集已经存在，无法创建。
- EINVAL：参数nsems的值小于0，或者大于该信号量集的限制，或者是该key关联的信号量以存在，并且nsems的值大于该信号量集的信号量数。
- ENOENT：信号量集不存在，同时没有使用，IPC_CREAT。
- ENOMEM：没有足够的内存创建新的信号量集。
3、semctl函数
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semctl(int semid, int semun, int cmd, ...);-
用来初始化信号集，或者删除信号集。
-
semid：信号量集I P C 标识符。
-
semun：操作信号在信号集中的编号，第一个信号的号是0.
-
cmd：在semid指定的信号量集合上执行此命令。
-
第四个参数是可选的，如果使用该参数，则其类型是semun，它是多个特定命令参数的联合（union）：
union semun
{
int val;
struct semid_ds * buf;
unsigned short * array;
struct seminfo * __buf;
};-
第三个参数cmd常用命令：
- IPC_SEAT：对此集合取semid_ds 结构，并存放在由arg.buf指向的结构中。
- IPC_RMID：从系统中删除该信号量集合。
- SETVAL：设置信号量集中的一个单独的信号量的值，此时需要传入第四个参数。
-
返回值：成功返回一个正数，失败返回-1。
4、 semop函数
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semop(int semid, struct sembuf * sops, unsigned nsops);-
功能：操作一个或一组信号。也可以叫PV操作
-
semid：信号集的识别码，可以通过semget获取。
-
sops：是一个指针，指向一个信号量操作数组。信号量操作由结构体sembuf 结构表示如下：
struct sembuf
{
unsigned short sem_num； // 在信号集中的编码 0 ， 1， ... nsems-1
short sem_op; //操作 负值或正值
short sem_flg; // IPC_NOWAIT, SEM_UNDO
};-
sembuf结构体参数说明：
-
sem_num：操作信号在信号集中的编号，第一个信号的编号是0，最后一个信号的编号是nsems-1。
-
sem_op：操作信号量
-
若sem_op 为负（P操作）， 其绝对值又大于信号的现有值，操作将会阻塞，直到信号值大于或等于sem_op的绝对值。通常用于获取资源的使用权。
-
若sem_op 为正（V操作）， 该值会加到现有的信号内值上。通常用于释放所控制资源的使用权。
- sem_op的值为0：如果没有设置IPC_NOWAIT，则调用该操作的进程或线程将暂时睡眠，直到信号量的值为0；否则进程或线程会返回错误EAGAIN。
-
-
sem_flg： 信号操作标识，有如下两种选择：
-
IPC_NOWAIT：对信号的操作不能满足时，semop()不会阻塞，并立即返回，同时设定错误信息。
-
SEM_UNDO：程序结束时（正常退出或异常终止），保证信号值会被重设为semop()调用前的值。避免程序在异常情况下结束时未解锁锁定的资源，早成资源被永远锁定。造成死锁。
-
-
-
nsops：信号操作结构的数量，恒大于或等于1.
-
返回值：成功执行时，都会回0，失败返回-1，并设置errno错误信息。
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/sem.h>
union semun
{
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *arry;
};
static int sem_id = 0;
static int set_semvalue();
static void del_semvalue();
static int semaphore_p();
static int semaphore_v();
int main(int argc, char *argv[])
{
char message = 'X';
int i = 0;
//创建信号量
sem_id = semget((key_t)1234, 1, 0666 | IPC_CREAT);
if(argc > 1)
{
//程序第一次被调用，初始化信号量
if(!set_semvalue())
{
fprintf(stderr, "Failed to initialize semaphore\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//设置要输出到屏幕中的信息，即其参数的第一个字符
message = argv[1][0];
sleep(2);
}
for(i = 0; i < 10; ++i)
{
//进入临界区
if(!semaphore_p())
exit(EXIT_FAILURE);
//向屏幕中输出数据
printf("%c", message);
//清理缓冲区，然后休眠随机时间
fflush(stdout);
//离开临界区，休眠随机时间后继续循环
if(!semaphore_v())
exit(EXIT_FAILURE);
sleep(2);
}
sleep(3);
printf("\n%d - finished\n", getpid());
if(argc > 1)
{
//如果程序是第一次被调用，则在退出前删除信号量
sleep(3);
del_semvalue();
}
exit(EXIT_SUCCESS);
}
static int set_semvalue()
{
//用于初始化信号量，在sem_union的val字段中设置信号量初值。使用信号量之前必须先初始化！
union semun sem_union;
sem_union.val = 1;
if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1)
return 0;
return 1;
}
static void del_semvalue()
{
//删除信号量
union semun sem_union;
if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1)
printf("Failed to delete semaphore\n");
}
static int semaphore_p()
{
//对信号量做减1操作，即加锁 P（sv）
struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = 0;
sem_b.sem_op = -1; //P()
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
if(semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)
{
printf("semaphore_p failed\n");
return 0;
}
return 1;
}
static int semaphore_v()
{
//这是一个释放操作，它使信号量变为可用，即解锁 V（sv）
struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = 0;
sem_b.sem_op = 1; //V()
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
if(semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)
{
printf("semaphore_v failed\n");
return 0;
}
return 1;
}