由浅入深探讨Linux进程间通信(中篇)

前言

上一篇文章由浅入深探讨Linux进程间通信（上篇）只讲解到了进程间通信方法之管道，这一篇文章继续讲解System V进程间通信，话不多说直接开始。

1.System V进程间通信实现原理

System V进程间通信需要借助Linux命名空间来实现。

1.1什么是Linux命名空间？

Linux命名空间是一种虚拟化技术，它提供了一种轻量级的虚拟化方式，可以将一个系统中的全局资源隔离开来，使得不同的进程可以拥有自己独立的资源视图。

命名空间其实就是一些列资源的集合，每个进程都需要指向这个集合，不同的进程如果指向相同的命名空间，那么进程间就能共享命名空间资源。

命名空间内核定义如下：

System V进程间通信需要用到IPC命名空间。

IPC命名空间有一个数组成员ids，该成员主要用来存储消息队列，信号量，共享内存IPC对象。

System V三种进程间通信方式（消息队列，信号量，共享内存）都是基于IPC对象实现，消息队列，信号量，共享内存都继承了IPC对象（kern_ipc_perm），学习System V进程间通信首先我们得知道IPC对象如何创建和销毁。

1.2 IPC对象创建和销毁

IPC对象创建和销毁需要通过键值（Key）来完成。

什么是IPC键值（Key）?

IPC键值（Key）是一个整型值，用于唯一标识一个IPC对象，在创建IPC对象时，需要指定一个IPC键值，进程可以使用这个IPC键值来访问该IPC对象，同一个IPC键值只能对应一个IPC对象，不同的IPC键值对应不同的IPC对象。

创建IPC对象时，首先得生成一个IPC Key，IPC Key有以下三种生成方式：

1. 使用一个随机的整数。
2. 使用IPC_PRIVATE标志生成，此种方法只能用于有亲缘关系进程。
3. 使用ftok函数生成。

生成Key后，通过Key索引ipc_namespace->ids->key_ht(哈希表)，Key主要是用来索引哈希表，如果哈希表中已经有IPC对象，直接返回IPC对象ID，否则需要创建一个新的IPC对象，并为新的IPC生成对象ID，再把IPC对象插入哈希表，新的IPC对象会以IPC对象ID为索引，插入ipc_namespace->ids->ipcs_id(radix树)。

同样IPC对象销毁也是通过Key删除哈希表IPC对象记录。

什么是IPC对象ID？

IPC对象ID是一个整数标识符，用于标识System V IPC对象（如消息队列、信号量和共享内存），IPC对象ID是由内核分配的，IPC对象主要用来索引ipc_namespace->ids->ipcs_id(radix树)，radix树主要用来加快查询效率。

2.System V消息队列

有了前面的铺垫，我们就很容理解消息队列，信号量，共享内存的实现。

• 消息队列创建

msgget函数通过Key创建消息队列并返回IPC对象ID。

• 发送消息

得到IPC对象ID后，就能通过调用msgsnd函数发送消息，发送的消息存储在msg_queue（消息队列）->q_messages（队列）。

• 接收消息

通过msgrcv函数接收消息，msgrcv函数从msg_queue（消息队列）->q_messages（队列）读取消息。

两个进程因为都指向相同的IPC命名空间，所以两个进程通过相同的Key返回同一个IPC对象ID，有了相同的ID就能通过ID进行消息发送和接收。

3.System V信号量

• 信号量创建

semget函数通过Key创建信号量并返回IPC对象ID。

• 信号量PV操作

semop函数实现信号量PV操作。

• 信号量销毁

semctl函数通过IPC_RMID命令销毁信号量。

System V信号量（sem_array）维护的是信号量数组，也就是同时支持多个信号量，所以在初始化信号量时需指定信号量数量，操作信号量时需通过数组下标指定操作的是哪个信号量。

4.System V共享内存

• 共享内存创建

semget函数通过Key创建共享内存并返回IPC对象ID。

• 共享内存映射

通过shmat函数实现内存映射，通过同一共享文件完成内存映射的内存区域，进程间可以相互访问。

• 数据拷贝

完成共享内存映射后，就能通过普通的内存拷贝函数，如：memcpy函数，实现数据的写入和读取，完成进程间通信。

• 取消共享内存内存映射

通过shmdt函数取消内存映射。

• 共享内存销毁

shmctl函数通过IPC_RMID命令销毁信号量。

System V共享内存（shmid_kernel）维护的是一个struct file对象（shm_filesem），shm_filesem为共享内存文件，用来实现内存映射，不同的进程通过相同的shm_filesem共享内存文件完成内存映射后，就能访问同一块物理内存区域，从而实现进程间通信。

最后思考一下：System V进程间通信方法为什么满足进程间通信要求？

IPC对象属于内核空间的一块内存区域，进程(task_struct对象)能够通过IPC命名空间表访问这块内存区域，所以System V进程间通信方法满足进程间通信要求。