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Linux通信System V：消息队列信号量

news 来源：原创 2025/5/27 8:10:29

Linux通信System V：消息队列 & 信号量

一、信号量概念
二、信号量意义
三、操作系统如何管理ipc资源（2.36版本）
四、如何对信号量资源进行管理

一、信号量概念

信号量本质上就是计数器，用来保护共享资源。多个进程在进行通信时，前提需要看到同一份共享资源。但多个进程对公共资源并发访问时，通常会伴随着数据不一致问题。我们。一般采用同步和异步机制对公共资源进行保护！！其中被保护的资源被称为临界资源；访问该临界资源的代码称为临界区！！

同步：任何时候只运行一个执行流（进程）访问公共资源，通过加锁完成！
异步：多个执行流执行的时候，按照一定的顺序执行。
原子性：只有2态，要么做，要么不做。
被保护的公共资源被称为公共资源，访问该公共资源的代码称为临界区。

二、信号量意义

首先，我们先来想一个问题：当我们买票看电影时，座位是购买票后就属于你，还是只有当你坐在那个位置才属于你？显然，当我们买完票后，票上显示的座位就属于你。电影院是公共资源，而买票的行为本质上是对公共资源（作为）的预定！！

同理，信号量本质上就是一把表示公共资源数目的计数器。在计算机中，公共资源可以被分为多个部分，而信号量表示资源数目的计数器。当一个执行流想要访问公共资源时，不因该直接让其访问，否则会导致数据不一致问题！（例如：多个进程通过一块公共资源进程通信时，当进程A在向公共资源中写入数据但还未写完时，如果此时其他进程此时读取公共资源中的数据，可能会导致数据被覆盖，最后可能导致所有进程的数据都错误失效！！）

所以当执行流想要访问公共资源时，因该让其先申请信号量资源，也就是让计数器减1。一旦申请成功就完成公共资源的预定，可以访问随时访问公共资源。否则信号量申请失败，执行流就要被挂起阻塞！！

在这里插入图片描述

三、操作系统如何管理ipc资源（2.36版本）

下面我们先来看看消息队列和共享内存结构体中都维护了哪些信息！

【消息队列】：
在这里插入图片描述
【公共内存】：

我们发现两种ipc资源结构体中的首元素都是struct ipc_perm类型，即使ipc种类不同，但是struct ipc_perm类型结构体中保存的数据却全部一样！！而在也是OS管理不同ipc资源的核心！！

原因在于在系统层面上，系统可以找到一个名为ipc_ids结构体，在该结构体中存在一个指针*entires。该指针指向一个柔性数组。该柔性数组首元素保存ipc资源个数，而1 ~ n-1保存的是每个一ipc资源首元素地址。也就是上面我们所看到的struct ipc_perm结构体，具体如下：

struct ipc_perm {key_t          __key;    /* Key supplied to shmget(2) */uid_t          uid;      /* Effective UID of owner */gid_t          gid;      /* Effective GID of owner */uid_t          cuid;     /* Effective UID of creator */gid_t          cgid;     /* Effective GID of creator */unsigned short mode;     /* Permissions + SHM_DEST andSHM_LOCKED flags */unsigned short __seq;    /* Sequence number */
};

当操作系统需要访问不同ipc资源时，我们已经在柔性数组中得到了ipc资源的首元素地址，此时我们只需将其强转为特定ipc类型即可！！

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即使ipc资源类型各异，但我们将所有ipc资源的首元素struct ipc_perm结构体保存到柔性数组。让操作系统以统一的视角看待所有的ipc资源，从而实现对不同ipc资源的统一管理！

四、如何对信号量资源进行管理

访问共享资源时，首先要申请信号量资源。这也意味访问同一块公共资源的进程需要看到同一份信号量资源，而该资源只能由OS申请，被添加到ipc体系！

信号量是用来保护公共资源的，但多个进程需要看到同一份信号量资源，即信号量资源本身也是公共资源。那谁来保护信号量资源呢？

所以在OS中，信号量资源被设计成原子的。即任意时刻，只运行一个执行流访问信号资源。信号量资源的申请和释放本质上是计数器的++和–。其中申请信号量资源被称为P策略，释放信号量资源被称为V策略。

既然信号量资源是一种ipc资源，并且操作系统中存在多个信号量资源。操作系统需要对信号量资源进行管理，先组织，在描述！对于单个信号量资源，OS中会维护下面这样一个结构体进行描述：（暂时简单理解如下）

struct sem
{int count;//信号量资源个数task_struct *wait_queue;//等待访问该公共资源的进程队列
}

在这里插入图片描述

Linux通信System V：消息队列 & 信号量

一、信号量概念

二、信号量意义

三、操作系统如何管理ipc资源（2.36版本）

四、如何对信号量资源进行管理

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