引言

Unix 內核管理的進程自主地操作，從而產生更穩定的系統。然而，每個開發人員最終都會遇到這樣的情況，即其中一組進程需要與另一組進程通信，也許是為了交換數據或發送命令。這種通信稱為進程間通信（Inter-Process Communication，IPC）。System V (SysV) UNIX 規范描述了以下三種 IPC 機制，它們統稱為 SysV IPC：

消息隊列

信號量

共享內存

此外，進程還可以通過其他機制通信，例如：

讀、寫和鎖定文件

信號

套接字

管道

FIFO（先進先出）

這后一組機制一般也稱為 IPC。由于其簡單性和有效性，本文將集中于 SysV IPC 方法。

了解 SysV 模型

三種 SysV IPC 方法具有類似的語法，盡管它們具有不同的用途。一般情況下，它們執行以下操作：

確定要用于 ftok(3) 的正確 IPC 密鑰。

分別使用 msgget(2)、semget(2) 或 shmget(2) 獲得用于消息隊列、信號量或共享內存的特定于 IPC 的標識符，這些標識符與 IPC 密鑰相關聯。

使用 msgctl(2)、semctl(2) 或 shmctl(2) 修改 IPC 實例的屬性。

利用特定的 IPC 實例。

最后，使用 msgctl(2)、semctl(2) 或 shmctl(2) 和 IPC_RMID 標志銷毀 IPC 實例。

每個 IPC 實例都被賦予一個標識符，以將它與系統上存在的其他 IPC 實例區分開來。例如，兩個不同的應用程序可能分別決定使用共享內存段，因此系統范圍的 IPC ID 將區分這兩個實例。雖然可能不是那么明顯，但是第一個挑戰就是弄清如何分發這樣的信息：即如何在沒有準備某種 IPC 機制的情況下附加到一個公共 IPC 實例。

ftok 庫調用使用某個給定文件中的索引節點信息和一個唯一標識符來得出一個密鑰，只要該文件存在并且該標識符為常量，此密鑰就保持相同。因此，兩個進程可以使用它們的配置文件和編譯時常量來得出相同的 IPC 密鑰。常量的存在允許同一個應用程序通過改變常量來創建 IPC 機制的多個實例。

在一組進程獨立得出各自的 IPC 密鑰之后，它們必須使用某個 get 系統調用來獲得與該特定 IPC 實例關聯的特定標識符。各個 get 調用全都需要 IPC 密鑰和一組標志，以及一些信號量和共享內存大小信息。由于 Unix 是多用戶系統，標志將包括熟悉的八進制形式的文件權限（因此 666 意味著任何人都可以執行讀和寫）。如果還設置了 IPC_CREAT 標志，則會在 IPC 實例不存在時創建該實例。如果沒有設置 IPC_CREAT 標志并且還未創建 IPC 實例，則 get 調用將返回錯誤。

對于能夠自己分發 IPC 實例標識符的應用程序，存在一種用于執行該任務的更簡單方法。如果您在調用 get 以創建 IPC 時使用密鑰 IPC_PRIVATE，則實例標識符將是唯一的。需要附加到該 IPC 的其他進程不需要調用 get，因為它們已經擁有該標識符。

一旦擁有了標識符，應用程序就可以任意使用 IPC 實例。每種 IPC 方法都是不同的，并在它們各自的部分中進行處理。

通過隊列傳遞消息

消息隊列提供了一種機制，使得一個進程可以發送另一個進程能夠獲得的消息。在獲得該消息之后，將從隊列中刪除該消息。消息隊列非常獨特，因為兩個進程不必同時存在——一個進程可以發送一個消息并退出，而該消息可以在數天后才被另一個進程獲得。

消息必須由一個長整數后面跟著消息數據組成。清單 1 顯示了 C 語言中的這樣一個結構，其中使用了一個 100 字節的消息。

清單 1. 示例消息的 C 語言定義

struct mq_message {long type;　/* The type or destination */char text[100]; /* Data */};

消息接收者使用消息類型。當從隊列輪詢消息時，您可以選擇第一個可用的消息，或者可以查找某種特定的消息類型。將要使用的消息類型特定于應用程序，從而使得隊列獨特于其他形式的 IPC，因為內核通過讀取 type 字段，從而在一定程度上了解所傳遞的應用程序數據。

清單 2 顯示了消息隊列的消息提交部分。

清單 2. 向消息隊列提交消息的程序

#include <sys/types.h>#include <sys/msg.h>#include <sys/ipc.h>#include <string.h>#include <stdio.h>int main (void) {key_t ipckey;int mq_id;struct { long type; char text[100]; } mymsg;/* Generate the ipc key */ipckey = ftok("/tmp/foo", 42);printf("My key is %dn", ipckey);/* Set up the message queue */mq_id = msgget(ipckey, IPC_CREAT | 0666);printf("Message identifIEr is %dn", mq_id);/* Send a message */memset(mymsg.text, 0, 100); /* Clear out the space */strcpy(mymsg.text, "Hello, world!");mymsg.type = 1;msgsnd(mq_id, &mymsg, sizeof(mymsg), 0);}

清單 2 中的代碼包括了必要的頭文件，然后定義了將在 main 函數中使用的變量。第一要務是使用 /tmp/foo 作為命令文件和使用數字 42 作為 ID 來確定 IPC 密鑰。出于演示的目的，這里使用 printf(3c) 將密鑰顯示在屏幕上。接下來，該代碼使用 msgget 創建消息隊列。msgget 的第一個參數是 IPC 密鑰，第二個參數是一組標志。在該示例中，標志包括八進制權限（該權限允許具有 IPC 密鑰的任何人完全使用該 IPC）和 IPC_CREAT 標志（此標志導致 msgget 創建隊列）。同樣，結果被打印到屏幕上。

將消息發送到隊列是非常簡單的。在對消息中的內存空間清零之后，將一個熟悉的字符串復制到緩沖區的文本部分。將消息類型設置為 1，然后調用 msgsnd。msgsnd 預期接受的參數為隊列 ID、一個指向數據的指針和數據的大小，以及一個指示是否阻塞該調用的標志。如果該標志為 IPC_NOWAIT，則即使隊列已滿，該調用也會返回。如果該標志為 0，則調用將阻塞，直至隊列上的空間被釋放、隊列被刪除或應用程序收到某個信號。

該過程的客戶端行為與此類似。清單 3 顯示了檢索服務器發送的消息的代碼。

清單 3. 用于從隊列檢索消息的代碼

#include <sys/types.h>#include <sys/msg.h>#include <sys/ipc.h>#include <string.h>#include <stdio.h>int main (void) {key_t ipckey;int mq_id;struct { long type; char text[100]; } mymsg;int received;/* Generate the ipc key */ipckey = ftok("/tmp/foo", 42);printf("My key is %dn", ipckey);/* Set up the message queue */mq_id = msgget(ipckey, 0);printf("Message identifIEr is %dn", mq_id);received = msgrcv(mq_id, &mymsg, sizeof(mymsg), 0, 0);printf("%s (%d)n", mymsg.text, received);}

獲得 IPC 密鑰和消息隊列標識符的過程與服務器的代碼類似。對 msgget 的調用不指定任何標志，因為服務器已經創建了隊列。如果應用程序的設計允許客戶端在服務器之前啟動，則客戶端和服務器都必須指定權限和 IPC_CREAT 標志，以便其中首先啟動的應用程序創建隊列。

然后 mq_clIEnt.c 調用 msgrcv 以從隊列提取消息。前三個參數指定消息隊列標識符、指向將包含消息的內存空間的指針和緩沖區的大小。第四個參數是類型參數，它允許您選擇所要獲得的消息：

如果類型為 0，則返回隊列中的第一個消息。

如果類型為正整數，則返回隊列中的第一個該類型的消息。

如果類型為負整數，則返回隊列中具有最小值的第一個消息，且該最小值小于或等于指定類型的絕對值。例如，如果要將 2 然后再將 1 添加到隊列，則使用類型 -2 調用 msgrcv 將返回 1，因為它最小，盡管它是隊列中的第二個消息。

傳遞給 msgrcv 的第五個參數同樣是阻塞標志。清單 4 顯示了實際操作中的客戶端和服務器。

清單 4. 客戶端和服務器代碼的輸出

sunbox$ ./mq_serverMy key is 704654099Message identifier is 2sunbox$ ./mq_clientMy key is 704654099Message identifier is 2Hello, world! (104)

客戶端和服務器的輸出表明，它們得出了相同的 IPC 密鑰，因為它們都引用同一個文件和標識符。服務器創建了 IPC 實例，內核為該實例分配了值 2，并且客戶端應用程序知道這一點。這樣，客戶端從消息隊列提取回“Hello, world!就沒什么奇怪的了。

此示例顯示了最簡單的情況。消息隊列對于短期進程是有用的，例如將工作提交給重負荷后端應用程序（例如某個批處理應用程序）的 Web 事務。客戶端也可以是服務器，并且多個應用程序可以向隊列提交消息。消息類型字段允許應用程序將消息發送給特定的讀取器。

使用信號量鎖定資源

進程之間的通信不需要涉及到發送大量的數據。實際上，單個位可能就足以指示某個進程在使用某個資源。請考慮兩個需要訪問某個硬件部分的進程，但是一次只有一個進程能夠使用該硬件。每個進程就包含引用計數器的點達成一致。如果一個進程讀取該計數器并看到其值為 1，則它就知道另一個進程正在使用該硬件。如果該計數器的值為 0，則該進程就可以自由使用該硬件資源，前提是在該硬件操作期間將計數器設置為 1 并在結束操作時將其重置為 0。

此場景存在兩個問題：第一個問題不過就是設置共享計數器并就其位置達成一致，再沒有比這麻煩的了。第二個問題是鎖定硬件資源所需要的獲取和設置操作不是原子的。如果一個進程在讀取計數器時，其值為 0，但是在它還沒有機會將計數器設置為 1 之前，另一個進程已搶先讀取了該計數器，則第二個進程就能夠讀取和設置計數器。兩個進程都會認為它們可以使用該硬件。沒有辦法知道另一個或其他進程是否會設置該計數器。這稱為爭用條件。信號量通過提供一個公共應用程序接口，以及通過實現原子測試和設置操作，從而同時解決了這兩個問題。

信號量的 SysV 實現比上述解決方案更通用。首先，信號量的值不需要是 0 或 1；它可以是 0 或任何正數。其次，可以執行一系列信號量操作，與用于 msgrcv 的 type 參數非常類似。這些操作作為一個指令集提供給內核，并且這些指令要么全部運行，要么一個也不會運行。內核要求將這些指令放在一個名為 sembuf 的結構中，該結構具有以下成員（按順序）：

sem_num：描述正在操作該集合中的哪一個信號量。

sem_op：一個有符號整數，其中包含要執行的指令或測試。

sem_flg：熟悉的 IPC_NOWAIT 標志（它指示測試應該立即返回還是阻塞直至通過）和 SEM_UNDO（它在進程提前退出時導致撤銷該信號量操作）的組合。

sem_op 是放置許多配置的地方：

如果 sem_op 為 0，則測試 sem_num 以確定它是否為 0。如果 sem_num 為 0，則運行下一個測試。如果 sem_num 不為 0，則在未設置 IPC_NOWAIT 時，操作將阻塞直至信號量變為 0，而在設置了 IPC_NOWAIT 時，則跳過其他測試。

如果 sem_op 是某個正數，則將信號量的值加上 sem_op 的值。

如果 sem_op 是一個負整數，并且信號量的值大于或等于 sem_op 的絕對值，則從信號量的值減去該絕對值。

如果 sem_op 是一個負整數，并且信號量的值小于 sem_op 的絕對值，則在 IPC_NOWAIT 為 true 時立即停止測試的執行，而在該值為 false 時則阻塞，直至信號量的值變得大于 sem_op 的絕對值。

清單 5 中的示例闡明了信號量的使用，其中研究了一個可同時運行多次的程序，但是該程序確保一次只有一個進程處于關鍵部分。其中使用了簡單情況下的信號量；當信號量的值為 0 時釋放資源。

清單 5. 使用信號量來保護關鍵部分

#include <sys/types.h>#include <sys/sem.h>#include <sys/ipc.h>#include <string.h> /* For strerror(3c) */#include <errno.h> /* For errno */#include <unistd.h> /* rand(3c) */#include <stdio.h>int main (int argc, char **argv) {key_t ipckey;int semid;struct sembuf sem[2]; /* sembuf defined in sys/sem.h *//* Generate the ipc key */ipckey = ftok("/tmp/foo", 42);/* Set up the semaphore set. 4 == READ, 2 == ALTER */semid = semget(ipckey, 1, 0666 | IPC_CREAT);if (semid < 0) {printf("Error - %sn", strerror(errno));_exit(1);}/* These never change so leave them outside the loop */sem[0].sem_num = 0;sem[1].sem_num = 0;sem[0].sem_flg = SEM_UNDO; /* Release semaphore on exit */sem[1].sem_flg = SEM_UNDO; /* Release semaphore on exit */while(1) { /* loop forever */printf("[%s] Waiting for the semaphore to be releasedn", argv[1]);/* Set up two semaphore operations */sem[0].sem_op = 0; /* Wait for zero */sem[1].sem_op = 1; /* Add 1 to lock it*/semop(semid, sem, 2);printf("[%s] I have the semaphoren", argv[1]);sleep(rand() % 3); /* Critical section, sleep for 0-2 seconds */sem[0].sem_op = -1; /* Decrement to unlock */semop(semid, sem, 1);printf("[%s] Released semaphoren", argv[1]);sleep(rand() % 3); /* Sleep 0-2 seconds */}}

清單 5 的開頭與消息隊列示例的開頭相同。其中 msgget 在第二個參數中指定消息隊列的大小，semget 指定信號量集（Semaphore Set） 的大小。信號量集是一組共享一個公共 IPC 實例的信號量。該集合中的信號量數量無法更改。如果已經創建了信號量集，則 semget 的第二個參數實際上被忽略。如果 semget 返回一個指示失敗的負整數，則打印原因，并退出程序。

在主 while 循環之前，對 sem_num 和 sem_flg 進行了初始化，因為它們在整個示例中保持一致。此外還指定了 SEM_UNDO，以便在信號量擁有者未能釋放該信號量就已退出的情況下，不會鎖定所有其他應用程序。

該循環中還打印了一個狀態消息，以指示應用程序已開始等待信號量。此輸出附帶第一個命令行參數作為前綴，以將它與其他實例區分開來。在進入關鍵部分之前，應用程序鎖定了信號量。此示例中指定了兩個信號量指令。第一個為 0，意味著應用程序將等待，直至信號量值恢復為 0。第二個為 1，意味著在信號量恢復為零之后，將向該信號量加 1。應用程序調用 semop 以運行指令，并向其傳遞信號量 ID、數據結構的地址和要使用的 sembuf 指令數量。

在 semop 返回以后，應用程序知道它已經鎖定了信號量，并打印一個消息以指示這一點。然后關鍵部分將會運行，在此例中是隨機地暫停幾秒。最后，使用 semop 值 -1 來運行單個 sembuf 命令，從而釋放信號量，這實際上是從信號量減去 1，并將其值恢復為 0。隨后打印更多的調試輸出，應用程序隨機暫停，然后繼續執行。清單 6 顯示了此應用程序的兩個實例的輸出。

清單 6. 兩個使用信號量來保護關鍵部分的程序

sunbox$ ./sem_example a & ./sem_example b &[a] Waiting for the semaphore to be released[a] I have the semaphore[b] Waiting for the semaphore to be released[a] Released semaphore[b] I have the semaphore[a] Waiting for the semaphore to be released[b] Released semaphore[a] I have the semaphore[a] Released semaphore[a] Waiting for the semaphore to be released[a] I have the semaphore

清單 6 顯示了運行的示例的兩個實例，這兩個實例分別具有名稱 a 和 b。首先，a 獲得信號量，在 a 擁有該信號量的同時，b 嘗試獲得一個鎖。一旦釋放了信號量，b 即獲得鎖。現在情況顛倒過來，變為等待 b 完成。最后，a 在信號量被釋放后再次獲得該信號量，因為 b 沒有等待。

關于信號量，要注意的最后一個事項在于，它們被稱為建議鎖（Advisory Lock）。這意味著信號量本身并不阻止兩個進程同時使用同一個資源；相反，它們旨在建議任何進程自愿詢問該資源是否正在使用。

共享內存空間

共享內存也許是最強大的 SysV IPC 方法，并且此方法最容易實現。顧名思義，共享內存是在兩個進程之間共享一個內存塊。清單 7 顯示了一個程序，該程序調用 fork(2) 來將自身劃分為一個父進程和一個子進程，兩個進程之間使用一個共享內存段進行通信。

清單 7. 演示共享內存用法的程序

#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/shm.h>#include <unistd.h>#include <string.h>#include <errno.h>int main(void) {pid_t pid;int *shared; /* pointer to the shm */int shmid;shmid = shmget(IPC_PRIVATE, sizeof(int), IPC_CREAT | 0666);if (fork() == 0) { /* Child *//* Attach to shared memory and print the pointer */shared = shmat(shmid, (void *) 0, 0);printf("Child pointer　%pn", shared);*shared=1;printf("Child value=%dn", *shared);sleep(2);printf("Child value=%dn", *shared);} else { /* Parent *//* Attach to shared memory and print the pointer */shared = shmat(shmid, (void *) 0, 0);printf("Parent pointer %pn", shared);printf("Parent value=%dn", *shared);sleep(1);*shared=42;printf("Parent value=%dn", *shared);sleep(5);shmctl(shmid, IPC_RMID, 0);}}

您現在應該已經熟悉傳遞給 shmget 的參數了：密鑰、大小和標志。此示例中的共享內存大小是單個整數。清單 7 與前一個示例的不同之處在于它對 IPC 密鑰使用了 IPC_PRIVATE。當使用了 IPC_PRIVATE 時，將保證創建一個唯一的 IPC ID，并且預期應用程序將自己分發該 ID。在此示例中，父進程和子進程都知道 shmid，因為它們分別是對方的副本。fork 系統調用創建當前進程的第二個副本，稱為子進程，此進程幾乎與父進程完全相同。兩個進程的執行都在 fork 之后恢復。返回值將用于確定當前進程是父進程還是子進程。

父進程和子進程看起來相似。首先，shmat 系統調用被用于獲得指向共享內存段的指針。shmat 需要共享內存 ID、一個指針和某些標志。該指針用于請求特定的內存地址。通過傳遞 0，內核可以隨心所欲地選擇任何內存地址。標志大部分是特定于供應商的，不過 SHM_RDONLY 是一個公共標志，用于指示不寫入的段。如清單 7 所示，shmat 的常見用法是讓內核決定一切。

shmat 返回一個指向共享內存段的指針，此示例出于調試目的而將其打印到了屏幕上。然后每個進程依次修改該共享內存段，并打印出值。最后，父進程使用 shmctl(2) 來刪除共享內存段。清單 8 顯示了此程序的輸出。

清單 8. 共享內存示例的輸出

sunbox$ ./shared_memoryChild pointer　ff390000Child value=1Parent pointer ff380000Parent value=1Parent value=42Child value=42

您可以從輸出中看到相同內存空間的共享。起初，共享內存中的值為 1，這是由子進程設置并由父進程讀取的。然后父進程將該值設置為 42，并由子進程讀取。請注意，父進程和子進程擁有指向共享內存段的不同指針地址，盡管它們是在訪問相同的物理內存。在使用物理地址時，這會導致某些數據結構出現問題，例如鏈表，因此當您在共享內存中構建復雜結構時，可以使用相對尋址。

此示例依賴在一個進程向共享內存寫入時，另一個進程暫停。在實際應用程序中，這是不切實際的，因此，如果您的應用程序可能潛在地擁有多個向相同內存位置執行寫入的進程，可以考慮使用信號量來鎖定該區域。

結束語

Unix 提供了若干種用于 IPC 的方法。SysV IPC 方法是消息隊列、信號量和共享內存。消息隊列允許一個應用程序提交消息，其他應用程序可以在以后獲得該消息，甚至是在發送應用程序已結束之后。信號量確保多個應用程序可以鎖定資源并避免爭用條件。共享內存允許多個應用程序共享一個公共內存段，從而提供了一種傳遞和共享大量數據的快速方法。您還可以將這些方法結合起來使用。例如，您可以使用信號量來控制對共享內存段的訪問。

IPC 方法對應用程序開發人員非常有用，因為它們提供了應用程序之間的標準通信方法，并且是跨不同 UNIX 風格可移植的。當您下次發現自己需要鎖定資源或在進程之間共享數據時，可以試驗一下 SysV IPC 機制。