6)Linux程序设计入门--消息管理

6)Linux程序设计入门--消息管理 
前言:Linux下的进程通信(IPC) 
Linux下的进程通信(IPC) 
POSIX无名信号量 
System V信号量 
System V消息队列 
System V共享内存 
1。POSIX无名信号量 如果你学习过操作系统,那么肯定熟悉PV操作了.PV操作是原子 
操作.也就是操作是不可以中断的,在一定的时间内,只能够有一个进程的代码在CPU上面 
执行.在系统当中,有时候为了顺利的使用和保护共享资源,大家提出了信号的概念. 假设 
我们要使用一台打印机,如果在同一时刻有两个进程在向打印机输出,那么最终的结果会 
是什么呢.为了处理这种情况,POSIX标准提出了有名信号量和无名信号量的概念,由于Li 
nux只实现了无名信号量,我们在这里就只是介绍无名信号量了. 信号量的使用主要是用 
来保护共享资源,使的资源在一个时刻只有一个进程所拥有.为此我们可以使用一个信号 
灯.当信号灯的值为某个值的时候,就表明此时资源不可以使用.否则就表>;示可以使用.  
为了提供效率,系统提供了下面几个函数 
POSIX的无名信号量的函数有以下几个: 
#include <semaphore.h>; 
int sem_init(sem_t *sem,int pshared,unsigned int value); 
int sem_destroy(sem_t *sem); 
int sem_wait(sem_t *sem); 
int sem_trywait(sem_t *sem); 
int sem_post(sem_t *sem); 
int sem_getvalue(sem_t *sem); 
sem_init创建一个信号灯,并初始化其值为value.pshared决定了信号量能否在几个进程 
间共享.由于目前Linux还没有实现进程间共享信号灯,所以这个值只能够取0. sem_dest 
roy是用来删除信号灯的.sem_wait调用将阻塞进程,直到信号灯的值大于0.这个函数返回 
的时候自动的将信号灯的值的件一.sem_post和sem_wait相反,是将信号灯的内容加一同 
时发出信号唤醒等待的进程..sem_trywait和sem_wait相同,不过不阻塞的,当信号灯的值 
为0的时候返回EAGAIN,表示以后重试.sem_getvalue得到信号灯的值. 
由于Linux不支持,我们没有办法用源程序解释了. 
这几个函数的使用相当简单的.比如我们有一个程序要向一个系统打印机打印两页.我们 
首先创建一个信号灯,并使其初始值为1,表示我们有一个资源可用.然后一个进程调用se 
m_wait由于这个时候信号灯的值为1,所以这个函数返回,打印机开始打印了,同时信号灯 
的值为0 了. 如果第二个进程要打印,调用sem_wait时候,由于信号灯的值为0,资源不可 
用,于是被阻塞了.当第一个进程打印完成以后,调用sem_post信号灯的值为1了,这个时候 
系统通知第二个进程,于是第二个进程的sem_wait返回.第二个进程开始打印了. 
不过我们可以使用线程来解决这个问题的.我们会在后面解释什么是线程的.编译包含上 
面这几个函数的程序要加上 -lrt选贤,以连接librt.so库 
2。System V信号量 为了解决上面哪个问题,我们也可以使用System V信号量.很幸运的 
是Linux实现了System V信号量.这样我们就可以用实例来解释了. System V信号量的函 
数主要有下面几个. 
#include <sys/types.h>; 
#include <sys/ipc.h>; 
#include <sys/sem.h>; 
key_t ftok(char *pathname,char proj); 
int semget(key_t key,int nsems,int semflg); 
int semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun arg); 
int semop(int semid,struct sembuf *spos,int nspos); 
struct sembuf { 
short sem_num; /* 使用那一个信号 */ 
short sem_op; /* 进行什么操作 */ 
short sem_flg; /* 操作的标志 */ 
}; 
ftok函数是根据pathname和proj来创建一个关键字.semget创建一个信号量.成功时返回 
信号的ID,key是一个关键字,可以是用ftok创建的也可以是IPC_PRIVATE表明由系统选用 
一个关键字. nsems表明我们创建的信号个数.semflg是创建的权限标志,和我们创建一个 
文件的标志相同. 
semctl对信号量进行一系列的控制.semid是要操作的信号标志,semnum是信号的个数,cm 
d是操作的命令.经常用的两个值是:SETVAL(设置信号量的值)和IPC_RMID(删除信号灯). 
arg是一个给cmd的参数. 
semop是对信号进行操作的函数.semid是信号标志,spos是一个操作数组表明要进行什么 
操作,nspos表明数组的个数. 如果sem_op大于0,那么操作将sem_op加入到信号量的值中 
,并唤醒等待信号增加的进程. 如果为0,当信号量的值是0的时候,函数返回,否则阻塞直 
到信号量的值为0. 如果小于0,函数判断信号量的值加上这个负值.如果结果为0唤醒等待 
信号量为0的进程,如果小与0函数阻塞.如果大于0,那么从信号量里面减去这个值并返回 
..  
下面我们一以一个实例来说明这几个函数的使用方法.这个程序用标准错误输出来代替我 
们用的打印机. 
#include <stdio.h>; 
#include <unistd.h>; 
#include <limits.h>; 
#include <errno.h>; 
#include <string.h>; 
#include <stdlib.h>; 
#include <sys/stat.h>; 
#include <sys/wait.h>; 
#include <sys/ipc.h>; 
#include <sys/sem.h>; 
#define PERMS S_IRUSR|S_IWUSR 
void init_semaphore_struct(struct sembuf *sem,int semnum, 
int semop,int semflg) 
{ 
/* 初始话信号灯结构 */ 
sem->;sem_num=semnum; 
sem->;sem_op=semop; 
sem->;sem_flg=semflg; 
} 
int del_semaphore(int semid) 
{ 
/* 信号灯并不随程序的结束而被删除,如果我们没删除的话(将1改为0) 
可以用ipcs命令查看到信号灯,用ipcrm可以删除信号灯的 
*/ 
#if 1 
return semctl(semid,0,IPC_RMID); 
#endif 
} 
int main(int argc,char **argv) 
{ 
char buffer[MAX_CANON],*c; 
int i,n; 
int semid,semop_ret,status; 
pid_t childpid; 
struct sembuf semwait,semsignal; 
if((argc!=2)||((n=atoi(argv[1]))<1)) 
{ 
fprintf(stderr,"Usage:%s number\n\a",argv[0]); 
exit(1); 
} 
/* 使用IPC_PRIVATE 表示由系统选择一个关键字来创建 */ 
/* 创建以后信号灯的初始值为0 */ 
if((semid=semget(IPC_PRIVATE,1,PERMS))==-1) 
{ 
fprintf(stderr,"[%d]:Acess Semaphore Error:%s\n\a", 
getpid(),strerror(errno)); 
exit(1); 
} 
/* semwait是要求资源的操作(-1) */ 
init_semaphore_struct(&semwait,0,-1,0); 
/* semsignal是释放资源的操作(+1) */ 
init_semaphore_struct(&semsignal,0,1,0); 
/* 开始的时候有一个系统资源(一个标准错误输出) */ 
if(semop(semid,&semsignal,1)==-1) 
{ 
fprintf(stderr,"[%d]:Increment Semaphore Error:%s\n\a", 
getpid(),strerror(errno)); 
if(del_semaphore(semid)==-1) 
fprintf(stderr,"[%d]:Destroy Semaphore Error:%s\n\a", 
getpid(),strerror(errno)); 
exit(1); 
} 
/* 创建一个进程链 */ 
for(i=0;i<n;i++) 
if(childpid=fork()) break; 
sprintf(buffer,"[i=%d]-->;[Process=%d]-->;[Parent=%d]-->;[Child=%d]\n", 
i,getpid(),getppid(),childpid); 
c=buffer; 
/* 这里要求资源,进入原子操作 */ 
while(((semop_ret=semop(semid,&semwait,1))==-1)&&(errno==EINTR)); 
if(semop_ret==-1) 
{ 
fprintf(stderr,"[%d]:Decrement Semaphore Error:%s\n\a", 
getpid(),strerror(errno)); 
} 
else 
{ 
while(*c!=‘\0‘)fputc(*c++,stderr); 
/* 原子操作完成,赶快释放资源 */ 
while(((semop_ret=semop(semid,&semsignal,1))==-1)&&(errno==EINTR)); 
if(semop_ret==-1) 
fprintf(stderr,"[%d]:Increment Semaphore Error:%s\n\a", 
getpid(),strerror(errno)); 
} 
/* 不能够在其他进程反问信号灯的时候,我们删除了信号灯 */ 
while((wait(&status)==-1)&&(errno==EINTR)); 
/* 信号灯只能够被删除一次的 */ 
if(i==1) 
if(del_semaphore(semid)==-1) 
fprintf(stderr,"[%d]:Destroy Semaphore Error:%s\n\a", 
getpid(),strerror(errno)); 
exit(0); 
}  
信号灯的主要用途是保护临界资源(在一个时刻只被一个进程所拥有). 
3。SystemV消息队列 为了便于进程之间通信,我们可以使用管道通信 SystemV也提供了 
一些函数来实现进程的通信.这就是消息队列. 
#include <sys/types.h>; 
#include <sys/ipc.h>; 
#include <sys/msg.h>; 
int msgget(key_t key,int msgflg); 
int msgsnd(int msgid,struct msgbuf *msgp,int msgsz,int msgflg); 
int msgrcv(int msgid,struct msgbuf *msgp,int msgsz, 
long msgtype,int msgflg); 
int msgctl(Int msgid,int cmd,struct msqid_ds *buf); 
struct msgbuf { 
long msgtype; /* 消息类型 */ 
....... /* 其他数据类型 */ 
} 
msgget函数和semget一样,返回一个消息队列的标志.msgctl和semctl是对消息进行控制 
.. msgsnd和msgrcv函数是用来进行消息通讯的.msgid是接受或者发送的消息队列标志.  
msgp是接受或者发送的内容.msgsz是消息的大小. 结构msgbuf包含的内容是至少有一个 
为msgtype.其他的成分是用户定义的.对于发送函数msgflg指出缓冲区用完时候的操作. 
接受函数指出无消息时候的处理.一般为0. 接收函数msgtype指出接收消息时候的操作. 
如果msgtype=0,接收消息队列的第一个消息.大于0接收队列中消息类型等于这个值的第 
一个消息.小于0接收消息队列中小于或者等于msgtype绝对值的所有消息中的最小一个消 
息. 我们以一个实例来解释进程通信.下面这个程序有server和client组成.先运行服务 
端后运行客户端. 
服务端 server.c 
#include <stdio.h>; 
#include <string.h>; 
#include <stdlib.h>; 
#include <errno.h>; 
#include <unistd.h>; 
#include <sys/types.h>; 
#include <sys/ipc.h>; 
#include <sys/stat.h>; 
#include <sys/msg.h>; 
#define MSG_FILE "server.c" 
#define BUFFER 255 
#define PERM S_IRUSR|S_IWUSR 
struct msgtype { 
long mtype; 
char buffer[BUFFER+1]; 
}; 
int main() 
{ 
struct msgtype msg; 
key_t key; 
int msgid; 
if((key=ftok(MSG_FILE,‘a‘))==-1) 
{ 
fprintf(stderr,"Creat Key Error:%s\a\n",strerror(errno)); 
exit(1); 
} 
if((msgid=msgget(key,PERM|IPC_CREAT|IPC_EXCL))==-1) 
{ 
fprintf(stderr,"Creat Message Error:%s\a\n",strerror(errno)); 
exit(1); 
} 
while(1) 
{ 
msgrcv(msgid,&msg,sizeof(struct msgtype),1,0); 
fprintf(stderr,"Server Receive:%s\n",msg.buffer); 
msg.mtype=2; 
msgsnd(msgid,&msg,sizeof(struct msgtype),0); 
} 
exit(0); 
}  
---------------------------------------------------------------------------- 
---- 
客户端(client.c) 
#include <stdio.h>; 
#include <string.h>; 
#include <stdlib.h>; 
#include <errno.h>; 
#include <sys/types.h>; 
#include <sys/ipc.h>; 
#include <sys/msg.h>; 
#include <sys/stat.h>; 
#define MSG_FILE "server.c" 
#define BUFFER 255 
#define PERM S_IRUSR|S_IWUSR 
struct msgtype { 
long mtype; 
char buffer[BUFFER+1]; 
}; 
int main(int argc,char **argv) 
{ 
struct msgtype msg; 
key_t key; 
int msgid; 
if(argc!=2) 
{ 
fprintf(stderr,"Usage:%s string\n\a",argv[0]); 
exit(1); 
} 
if((key=ftok(MSG_FILE,‘a‘))==-1) 
{ 
fprintf(stderr,"Creat Key Error:%s\a\n",strerror(errno)); 
exit(1); 
} 
if((msgid=msgget(key,PERM))==-1) 
{ 
fprintf(stderr,"Creat Message Error:%s\a\n",strerror(errno)); 
exit(1); 
} 
msg.mtype=1; 
strncpy(msg.buffer,argv[1],BUFFER); 
msgsnd(msgid,&msg,sizeof(struct msgtype),0); 
memset(&msg,‘\0‘,sizeof(struct msgtype)); 
msgrcv(msgid,&msg,sizeof(struct msgtype),2,0); 
fprintf(stderr,"Client receive:%s\n",msg.buffer); 
exit(0); 
}  
注意服务端创建的消息队列最后没有删除,我们要使用ipcrm命令来删除的. 
4。SystemV共享内存 还有一个进程通信的方法是使用共享内存.SystemV提供了以下几个 
函数以实现共享内存. 
#include <sys/types.h>; 
#include <sys/ipc.h>; 
#include <sys/shm.h>; 
int shmget(key_t key,int size,int shmflg); 
void *shmat(int shmid,const void *shmaddr,int shmflg); 
int shmdt(const void *shmaddr); 
int shmctl(int shmid,int cmd,struct shmid_ds *buf); 
shmget和shmctl没有什么好解释的.size是共享内存的大小. shmat是用来连接共享内存 
的.shmdt是用来断开共享内存的.不要被共享内存词语吓倒,共享内存其实很容易实现和 
使用的.shmaddr,shmflg我们只要用0代替就可以了.在使用一个共享内存之前我们调用s 
hmat得到共享内存的开始地址,使用结束以后我们使用shmdt断开这个内存. 
#include <stdio.h>; 
#include <string.h>; 
#include <errno.h>; 
#include <unistd.h>; 
#include <sys/stat.h>; 
#include <sys/types.h>; 
#include <sys/ipc.h>; 
#include <sys/shm.h>; 
#define PERM S_IRUSR|S_IWUSR 
int main(int argc,char **argv) 
{ 
int shmid; 
char *p_addr,*c_addr; 
if(argc!=2) 
{ 
fprintf(stderr,"Usage:%s\n\a",argv[0]); 
exit(1); 
} 
if((shmid=shmget(IPC_PRIVATE,1024,PERM))==-1) 
{ 
fprintf(stderr,"Create Share Memory Error:%s\n\a",strerror(errno)); 
exit(1); 
} 
if(fork()) 
{ 
p_addr=shmat(shmid,0,0); 
memset(p_addr,‘\0‘,1024); 
strncpy(p_addr,argv[1],1024); 
exit(0); 
} 
else 
{ 
c_addr=shmat(shmid,0,0); 
printf("Client get %s",c_addr); 
exit(0); 
} 
} 
这个程序是父进程将参数写入到共享内存,然后子进程把内容读出来.最后我们要使用ip 
crm释放资源的.先用ipcs找出ID然后用ipcrm shm ID删除. 
后记: 
进程通信(IPC)是网络程序的基础,在很多的网络程序当中会大量的使用进程通信的概念 
和知识.其实进程通信是一件非常复杂的事情,我在这里只是简单的介绍了一下.如果你想 
学习进程通信的详细知识,最好的办法是自己不断的写程序和看联机手册.现在网络上有 
了很多的知识可以去参考.可惜我看到的很多都是英文编写的.如果你找到了有中文的版 
本请尽快告诉我.谢谢!