操作系统-进程

一、进程

1、进程介绍

进程与程序：

• 程序是存储在磁盘上的可执行文件，里面包含可执行的机器指令和数据的静态实体；进程是处于活跃状态的计算机程序，也就是正在运行中的程序
• 一个运行中的程序，可能由多个进程组成，但至少要有一个进程，称为主进程，同时可以通过系统调用创建出若干个子进程同时进行任务
• 一个程序也可以同时运行出若干个进程

进程的分类：
​ 根据进程的功能不同一般分为三类：交互进程、批处理进程、守护进程

• 交互进程：由一个shell终端启动的进程，在执行过程中，需要与用户进行交互操作，可以运行在前台，也可以运行在后台
• 批处理进程：该进程是一个进程指令集合，负责按顺序去启动其他进程
• 守护进程：一般都处于活跃状态，运行在后台，由系统在开机时通过脚本自动创建并运行。

查看进程：

简单形式：
ps：以简略的形式显示出当前用户有控制终端控制的进程信息
复杂形式：
ps auxw：以更宽大的列表形式详细地列出所有用户的进程信息

参数	详细
a	所有用户的有终端控制的进程
x	包括无终端控制的进程
u	以更详细的内容显示
w	以更大的列宽显示
e	显示所有进程
f	显示出其他信息字段

进程的信息列表：

进程信息	详细
USER	进程属主
PID	进程ID
%CPU	CPU使用率
%MEM	内存使用率
VSZ	占用虚拟内存大小（Kb）
RSS	占用物理内存大小（Kb）
TTY	控制终端设备号，?表示无终端控制
STAT	进程状态
START	进程启动的时间点
TIME	进程运行的耗时时间
COMMAND	启动进程的指令

进程状态列表：

进程状态	详细
O	就绪态 ，表示等待被调度
R	运行态，Linux下没有O状态，就绪态也用R表示
S	可被唤醒睡眠态。当系统中断、获得资源、收到信号等都可以被唤醒转入回运行态
D	不可被唤醒睡眠态。只能被wake_up系统调用唤醒
T	暂停态。收到停止类信号转入暂停态，当收到SIGCONT(18)转入运行态
Z	僵尸态。已经停止运行，但是父进程尚未回收相关资源
X	死亡态。不可见
N	低优先级
<	高优先级
s	进程组的领导
l	多线程化的进程
+	在前台的进程组中的
L	有被锁入内存的分页

# 查看指定进程  
ps aux | grep bash		# 过滤出包含bash关键字的进程信息
# 分页查看进程
ps aux | more
# 查看指定用户进程
ps -u 用户名 uw

父进程与子进程：

• 一个进程可以创建出另一个进程，创建者称为被创建者的父进程，被创建者称为创建者的子进程
• 父进程创建出子进程后，子进程在操作系统的调度下与父进程同时运行

孤儿进程与僵尸进程：

• 子进程先于父进程结束，子进程一定会向父进程发送SIGCHLD(17)信号，父进程负责回收子进程的相关资源
• 如果父进程先于子进程结束，此时子进程称为孤儿进程，同时会被孤儿院进程收养，就成为了孤儿院进程的子进程
  • 早期孤儿院进程init pid是1
  • 现在孤儿院进程不是1了，在图形化界面中是/sbin/upstart --user
• 子进程先于父进程结束，但是父进程没有去回收子进程相关资源，该子进程就成为僵尸进程

进程标识符：

• 每个进程都有一个以非负整数表示的唯一标识，称为进程ID，简称PID
• 进程ID在任意时刻内是唯一的，但是可以重用，当一个进程结束后，它的进程ID就会被分配个后面创建的其他进程使用
• 延时重用：当进程结束后，它的ID不会立即被系统重新分配，会隔一段时间后再重新分配

/**
 * 功能: 获取当前进程的ID
*/
pid_t getpid(void);

/**
 * 功能: 获取当前进程的父进程ID
*/
pid_t getppid(void);

2、fork创建子进程

/**
 * 功能: 创建一个子进程
 * 返回值: 创建失败返回-1，创建成功会返回两次
 * 父进程: 返回子进程的pid
 * 子进程: 返回0
*/
pid_t fork(void);

注意：总进程数或者实际拥有pid的进程数量超过了系统的限制，该函数失败
注意：子进程创建出来后，父子进程会同时各自运行代码，因此可以通过分支判断返回值，来让父子进程执行不同的程序代码

父子进程的运行顺序：通过fork系统调用创建出来的子进程与它父进程会各自往下运行，但是其先后顺序不确定，可以通过睡眠等系统调用确定让哪个进程先执行
子进程是父进程的副本：由fork创建的子进程会获得拷贝出父进程的data段、bss段、heap段、stack段、I/O流缓冲区。

子进程会共享父进程的代码段、文件描述符fd：

• 通过fork创建的子进程会共享父进程的代码段，fork之前的代码只有父进程执行，fork之后的代码父子进程都有机会执行，主要受到逻辑的控制进入不同的分支
• 不同的程序之间，文件描述符是不能共享的
• 但是由fork创建的父子进程之间，是把父进程内核中的文件描述符的表格拷贝给了子进程，此时两者共享父进程的已打开的文件描述符

fork子进程会继承父进程的信号处理方式：通过fork创建子进程会继承父进程的信号处理方式，是因为子进程共享了父进程的代码段

3、vfork和exec系列函数创建进程

vfork介绍

/**
 * 功能：创建一个子进程，返回值特点与fork没有区别
*/
pid_t vfork(void);

vfork的特点：

• 当调用vfork系统调用时，父进程会进入阻塞状态，子进程一定先返回执行
• 子进程返回时，先临时使用父进程的相关资源，然后等待exec系列函数执行加载一个可执行文件，从而让子进程去启动另一个程序，把那个程序的资源替换自己原来的资源。
• 当子进程调用完exec系列函数，替换完原来的所有资源后，子进程才算真正创建完毕，此时父进程才会接触阻塞状态，返回子进程的pid
• 如果子进程不调用exec系列函数后果：
  • 情况1：子进程一直没有创建成功，导致父进程一直处于阻塞状态，无法返回
  • 情况2：子进程直接结束并释放相关资源，此时子进程使用的还是父进程的资源，父进程会返回，但会产生段错误，因为它的相关资源已经被子进程错误释放掉了
• vfork不能单独创建出子进程，必须与exec系列函数中某个函数配合使用

fork和vfork的区别：

• vfork调用后，子进程先返回，而fork调用，谁先返回不确定
• vfork不会复制、共享父进程的相关资源，而是去加载其他程序，替换原来的临时资源
• 以exec系列函数创建的子进程不会继承父进程的信号处理方式，但是可以继承父进程的信号屏蔽

exec系列函数：

/**
 * 功能: 都是为了与vfork配额创建子进程的函数
 * @path: 要加载的程序的路径
 * @arg: 命令行参数，最起码第一个是执行可执行文件的命令，最后一个以NULL结尾
*/
int execl(const char *path, const char *arg, ...
               /* (char  *) NULL */);

/**
 * @file: 只需要被加载程序的文件名，系统会根据环境变量PATH中的路径去查找该文件
*/
int execlp(const char *file, const char *arg, ...
               /* (char  *) NULL */);

/**
 * @envp: 环境变量表，相当于父进程把自己的环境变量表拷贝给子进程
*/
int execle(const char *path, const char *arg, ...
               /*, (char *) NULL, char * const envp[] */);

/**
 * @argv: 把命令行参数以字符串指针数组方式提供，注意：一定要以NULL结尾
*/
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execvpe(const char *file, char *const argv[],
               char *const envp[]);

4、进程的正常结束

main函数中执行了return结束进程：

int main(...) {
    ...
    return x;	//	该返回值可以被父进程接收
}
//	等价于
int main(...) {
    ...
    exit(x)	//	该返回值可以被父进程接收
}

调用标准C的exit函数结束进程

/**
 * @status: 进程的结束状态码
*/
void exit(int status);

• 该函数一旦调用就不会返回，其父进程通过wait\ waitpid函数可以获取到status的低8位数据
• 进程正常退出前会先调用事先通过atexit\ on_exit函数注册过的函数，然后冲刷并关闭所有处于打开状态下的标准I/O流
• 可以用 EXIT_SUCCESS和EXIT_FAILURE常量作为exit或return的结束状态码，表示进程是正常结束，还是出问题结束的
• 该函数底层调用了 _exit\ _Exit函数

/**
 * @funciton: 函数指针 进程退出前要执行该函数
*/
int atexit(void (*function)(void));

/**
 * @funciton: 函数指针   
 *	第一个参数: 来自return的n或者exit的参数 status
 *	第二个参数: 来自on_exit的arg参数
 * @arg: 任意类型指针
*/
int on_exit(void (*function)(int , void *), void *arg)

调用_exit/ _Exit 函数结束进程：

void _exit(int status);
// 该函数有一个完全等价的标准C版本
void _Exit(int status);

• 该函数一旦调用就不会返回，其父进程通过wait\ waitpid函数可以获取到status的低8位数据
• 在进程退出前，先关闭所有打开状态下的文件描述符，并把所有的子进程托付给孤儿院进程收养(init\upstart--user)，并把当信号SIGCHLD(17)发送给其父进程

其它正常结束进程的方式：

• 进程的最后一个线程执行完毕，进程也结束
• 进程的最后一个线程调用pthread_exit函数，进程也结束

5、进程的异常终止

• 进程收到了某些信号，他杀
• 进程自己调用abort函数，产生了SIGABRT(6)信号，自杀
• 进程的最后一个线程收到了"取消"操作，并且做出响应
• 如果进程是异常结束的，atexit\on_exit它们事先注册的遗言函数不会被调用，也不会冲刷标准IO流
• 但是依然会给父进程发送信号SIGCHLD(17)，关闭所有打开状态下的文件描述符

6、子进程的资源回收

• 对于子进程任何方式的结束，都希望父进程能够知道，可以通过wait\waitpid函数可以知道子进程是如何结束的以及它结束状态码

/**
 * 功能: 以阻塞状态等待任意一个子进程的结束，并回收它的相关资源，获取到结束状态码
 * @status: 获取结束的子进程的结束状态码 是输出型参数
 * 返回值: 成功返回结束的子进程的pid，失败的返回-1
 *   1、如果所有子进程都在运行中，则阻塞等待
 *   2、如果有一个子进程结束，则立即返回该子进程的状态码和pid
 *   3、如果当前没有子进程运行，返回-1
*/
pid_t wait(int *status);

对于子进程的结束状态码status可借助宏函数解析判断：

宏函数	作用
WIFEXITED(status)	子进程是否正常结束
WEXITSTATUS(status)	当子进程是正常结束时，该宏可以获取到正确的结束状态码的低8位数据
WTERMSIG(status)	如果进程是异常终止的，该宏可以获取到杀死该子进程的信号编号

注意：由于wait函数可能会阻塞父进程的执行，因此不适合在父进程的主业务逻辑中调用，可以通过给SIGCHLD信号注册信号处理函数，在信号处理函数中调用wait

/**
 * 功能: 等待子进程结束
 *	与wait不同的是，可以选择等待哪些\哪个子进程结束，并且可以选择是否阻塞
 * @pid: 要等待的子进程的pid
 *	< -1 等待abs(pid)编号的进程组中的任意进程结束
 *    -1	等待任意进程结束，等待范围等同于wait
 *    0 	等待同组的任意进程结束
 *    >0	等待pid进程结束
 *    
 * @status: 获取结束的子进程的结束状态码 是输出型参数 等同wait
 * @options:
 *	0	表示忽略该参数 功能与wait一致
 *	WNOHANG	如果此时没有子进程结束会立即返回，不再阻塞
 *	WUNTRACED 如果有子进程转入暂停态也会立即返回
 *	WCONTINUED	如果有子进程从暂停态转回继续执行也会立即返回
 * 返回值:
 *	如果有子进程，且子进程状态改变 返回pid
 *	如果有子进程 且都没改状态 返回0
 *	如果没有子进程  返回-1
*/
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

7、system的实现原理

/**
 * 功能: 执行command程序，成功返回值commad对应程序的终止状态码，失败-1
 *    如果command给NULL，返回非零表示shell终端可用，返回0表示shell终端不可用
*/
int system(const char *command);

• 该函数的实现，底层调用了vfork、exec和waitpid函数，该返回值：
  • 如果vfork创建失败，则返回-1
  • 如果exec函数执行出错，则会在子进程中执行exit(127)
  • 如果都成功，则返回执行command程序的最终的结束状态码
• 与vfork的区别：system会等待加载的程序执行完后才返回
• 可以使用system替代vfork+exec的功能，好处是system会把错误处理都处理好

二、进程间通信介绍

​ 进程间通信（Interprocess communication 也叫IPC）：指两个或多个进程之间进行数据交互的过程。

需要进程间通信的原因：由于进程采用的是虚拟空间+用户态/内核态机制，所以就导致进程与进程之间、进程与内核之间是互相独立的，如果想让多个进程协同工作解决复杂问题，就需要进程之间进行通信。

进程的运行机制：从人类的感知来讲，所有进程是并行执行，但实际情况是所以进程轮流使用CPU，只是轮转的速度比较快，人类感受不到，CPU的一个内核就是一个运算单位，可以供一个进行使用（这也是CPU厂商不断追求CPU内核的数量原因）,CPU内核越多，同时执行的进程就越多。

需要多进程协同工作的问题：

• CPU密集型问题：主要特点是需要进行大量的计算，消耗CPU资源，比如计算圆周率、对视频进行高清解码等等，全靠CPU的运算能力，负责运算的进程越多，竞争得到的执行时间就越长。但是任务越多，花在任务切换的时间就越多，CPU执行任务的效率就越低，是一种损人不利已的做法。所以，要最高效地利用CPU，计算密集型任务同时进行的数量应当等于CPU的核心数。
• IO密集型问题：主要涉及到网络、磁盘IO的任务都是IO密集型任务，这类任务的特点是CPU消耗很少，任务的大部分时间都在等待IO操作完成（因为IO的速度远远低于CPU和内存的速度）。对于IO密集型任务，任务越多，CPU效率越高，但也有一个限度，因为创建进程也需要相关的资源，比如代码段、栈、文件描述符表、环境变量表。所以处理CPU密集型程序时可以选择多进程实现，有效的利用多核提升效率；而IO密集型的由于99%的时间都花在IO上，花在CPU上的时间很少，所以多线程也能提高很大效率。

三、简单的进程间通信

命令行参数：

​ 情况1：在终端执行程序时，给子进程传递命令行参数。
​ 情况2：使用vfork + exec创建进程时，给子进程传递命令行参数。
​ 只能在父子进程之间，在父进行创建子进程时使用，只能由父进行传递给子进程，单向通信，并且只能传递一些简单的字符串数据。

环境变量表：

​ 情况1：使用fork创建子进程时，子进程会拷贝一份父进程的环境变量表。
​ 情况2：使用vfork + exec创建进程时，给子进程传递一份父进程的环境变量表，子进程拿到环境表后会进行拷贝。
​ 只能在父子进程之间，父进行创建子进程时使用，只能由父进行传递给子进程，单向通信，并且只能传递一些简单的字符串数据。

信号：

​ 情况1：使用kill向指定的进程发送信号进行通信。
​ 情况2：使用sigqueue向指定的进程发送信号，也可以附带一些简单的数据。
​ 可以在任意进程之间进行通信，但也只能是互相告知某某事件发生了，即使用能使用sigqueue带一些数据，但只能传递一个int类型整数，只有通过fork创建的子进程才能传递内存地址。

文件：

​ 情况1：使用文件+信号，让任意两个进程之间传递大量数据，但要各自控制好位置指针，协调好读写时间。
​ 情况2：使用文件+文件锁，也可以让任意两个进程之间传递大量数据，但文件锁的操作比较麻烦，也有可能陷入死锁的情况。
​ 单纯的使用文件进行通信，无法协调读取和写入的时间，空间造成文件内的数据混乱，所以必须配合使用信号或文件锁。

四、传统的进程间通信——管道通信

• 管道是UNIX系统中最古老的进程间通信方式，是一种特殊文件读写机制
• 当进程从管道文件中读取数据时，如果管道中没有数据则进程会进入阻塞状态，直到有数据读取出来才返回，因此不需要借助信号、文件锁来协调读写时间
• 管道中的数据一旦读取完毕就会消失，因此也不需要管理文件的位置指针，所以使用管道文件比普通文件的进程间通信要方便很多
• 古老的好处是所有系统都支持，早期的管道文件是半双工，现在有些系统支持管道文件的全双工，现在绝大多数情况已经不使用管道来通信了

有名管道：

• 在文件系统中创建出一个实体的有文件名的管道文件，然后通过系统I/O的相关API来进行相关操作

使用函数创建：

/**
 * 功能: 创建一个有名管道文件
 * @pathname: 管道文件的名字
 * @mode: 管道文件的权限
 * 返回值: 成功返回0 失败-1
*/
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

使用命令创建：

mkfifo <file>

管道单向通信的编程模型：

进程A		 ->			进程B
创建有名管道		
打开管道			      打开管道
写数据				   读数据
关闭管道			      关闭管道
删除管道				

匿名管道：

• 只在内核中创建的管道文件对象并返回该对象的文件描述符，然后使用系统IO进行相关操作，匿名管道文件不会在文件系统中显示，在创建时不需要提供路径，也不会占用磁盘空间，只是使用内核空间来临时存储数据，当关闭文件描述符后会自动回收
• 注意：只适合fork创建的有关系的父子进程之间进行通信

相关API:

/**
 * 功能: 创建出匿名管道文件对象，并返回该对象的文件描述符
 * @pipefd: 输出型参数，用于存储文件描述符的数组，其中
 *	pipefd[0]	用于读操作
 *	pipefd[1]	用于写操作
 *
 * 使用步骤：
 *	1、调用该函数在内核中创建出管道文件，并获取到该文件的两个文件描述符
 *	2、通过fork创建出子进程，子进程可以直接拷贝父进程的pipefd描述符
 *	3、写数据的进程要关闭读端，读数据的进程要关闭写端
 *	4、发送完毕后，父子进程分别关闭文件描述符
*/
int pipe(int pipefd[2]);

编程模型：

	父进程		->		子进程
   创建匿名管道			
   创建子进程		       拷贝一对fd
   关闭读端(fd[0])	     关闭写端(fd[1])
   写数据(fd[1])	        读数据(fd[0])
   关闭写				关闭读

五、XSI机制的进程间通信

1、XSI介绍：

​ X/Open国际联盟有限公司是一个欧洲基金会，它的建立是为了向UNIX环境提供标准，XSI是X/Open System Interface的缩写，也就是X/Open设计的系统接口。

​ X/Open的主要的目标是促进对UNIX系统、接口、网络和应用的开放式系统协议的制定。它还促进在不同的UNIX环境之间的应用程序的互操作性，以及支持对电气电子工程师协会对UNIX的可移植操作系统接口规范。

IPC对象：

• 它用于进程间通信的XSI-IPC内核对象,类似于匿名管道、文件内核对象一样,通过使用XSI方式进行进程间通信时，系统会在内核中创建出一个XSI-IPC内核对象，让通信的进程能够共同访问该内核对象
• XSI-IPC对象只存在于内核空间，不会在文件系统中显示，该对象需要通过IPC键值来创建和获取

IPC键值：

• 用于创建\获取 IPC对象的凭证，是一个无符号的整数，相当于IPC对象的名字，类似于文件名
• 在创建IPC对象时，需要创建者提供一个IPC键值，有点类似给文件取名字，但是所有已经存在的IPC对象都在同一个作用域下，因此所有进程都可以访问到，所有有很大重名的风险，所以不建议创建者自己瞎想一个IPC键值去创建IPC对象，而应该使用操作系统提供的一个自动生成IPC键值的API

/**
 * 功能: 根据项目路劲和项目编号 自动生成一个ipc键值
 * @pathname: 建议提供当前项目的路径
 * @proj_id: 项目编号
 * 返回值:会根据项目路径和编号来计算出一个IPC键值，但是只是根据字符串内容来计算，不会检查路径是否为假
*/ 
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

注意：使用时，建议提供当前的正确的工作路径，以及不同的项目编号，就可以获得不同的IPC键值，通过不同的IPC键值来创建不同的IPC对象，但是获取时，需要拿到相同的IPC对象，因此需要拿相同的IPC键值，因此提供相同路径和编号即可获取

IPC描述符：类似于文件描述符，是一个非负整数，它是IPC内核对象的给用户空间来访问的凭证

ICP对象命令:

显示IPC对象命令：

ipcs -m  # 查看共享内存IPC对象	memory
ipcs -q  # 查看消息队列IPC对象	queue
ipcs -s  # 查看信号量IPC对象     sem
ipcs -a  # 查看所有的IPC对象		   

删除IPC对象命令：

ipcrm -m  id	# 删除共享内存IPC对象
ipcrm -q  id	# 删除消息队列IPC对象
ipcrm -s  id	# 删除信号量IPC对象

2、共享内存：

基本原理：

• 在内核中开辟一块内存，可以让其它进程的虚拟地址与这块内存进行映射，从而达到让多个进程共享一块内存的目的，当一个进程向这块内存写数据时，其它进程就都可以读取到，这就达到了通信的目的
• 优点：这种通信方式不存在数据的复制，是最快的进程间通信方式
• 缺点：需要考虑同步访问的问题（用信号）

使用方式：当一个进程向共享内存写入数据时，内核不会通知其他进程，进程从共享内存读取数据时，也无法分辨是否是通信的对方新写入的数据，为解决该问题，有以下方式：

• 读写：一个进程只负责写，另一个只负责读，这要负责读的进程使用的是最新即可，是一种单向通信
• 轮询：配合定时器或者闹钟，每隔一段时间就读取一次
• 中断：配合信号，进程只要往共享内存中写入数据，就给对方发送一个约定好的信号，其它进程如果已经读取完共享内存也可以发送一个约定好的信号

相关API：

/**
 * 功能: 创建\获取一个共享内存的IPC对象
 * key: IPC键值，类似于文件名
 * @size: 共享内存的字节数，建议取内存页字节数的整数倍，默认1页=4096字节
 *	如果是想要创建，则必须指定size的大小
 *	如果是获取已有的共享内存，这size可取0即可
 * @shmflg: 
 *	0		-表示该参数无效，获取共享内存，size也无效了
 *	IPC_CREAT	-创建共享内存
 *	IPC_EXCL	-如果已经存在同一个IPC对象，返回失败
 *	mode		-共享内存的权限，当创建共享内存时必须加上
 *		例如：IPC_CREAT|0644
 * 返回值: IPC描述符，失败-1
*/
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

/**
 * 功能: 加载共享内存（把进程中的虚拟地址与内核中的共享内存建立映射关系）
 * @shmid: IPC描述符，要映射哪条共享内存
 * @shmaddr: 想要映射的虚拟地址，可以给NULL由操作系统自动分配
 * @shmflg:
 *	0				- 以读写方式映射共享内存
 *	SHM_RDONLY		- 以只读方式映射共享内存
 * 返回值: 映射成功后的虚拟内存首地址，失败返回-1
*/ 
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

/**
 * 功能: 取消虚拟内存与共享内存的映射，也叫卸载共享内存    
 * @shmaddr: 要取消映射的虚拟内存地址
*/
int shmdt(const void *shmaddr);

/**
 * 功能: 销毁共享内存、获取共享内存属性、设置共享内存的属性
 * @shmid: IPC描述符
 * cmd:
 *	IPC_SET		-设置共享内存的属性  buf输入型参数，只有uid、gid、mode可设置
 *	IPC_STAT	-获取共享内存属性	buf输出型参数
 *	IPC_RMID	-删除共享内存	buf给NULL即可，
 *    			-删除并非真正直接删除，而是对共享内存的使用计数-1，如果该计数被-1为0后，意味着系统中没有任何的进程映射这块共享内存，才会从内核中真正销毁它
*/  
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
    			
struct shmid_ds {
   struct ipc_perm shm_perm;    //	属主和权限信息
   size_t          shm_segsz;   //	共享内存的大小
   time_t          shm_atime;   //	最后映射时间（加载）
   time_t          shm_dtime;   //	最后取消映射的时间（卸载）
   time_t          shm_ctime;   //	最后内存内容修改时间
   pid_t           shm_cpid;    //	创建者pid
   pid_t           shm_lpid;    //	最后加载、卸载者pid
   shmatt_t        shm_nattch;  //	当前映射的进程数的计数器
   ...
};

struct ipc_perm {
   key_t          __key;    //	IPC键值
   uid_t          uid;      //	属主id
   gid_t          gid;      //	属主组id
   uid_t          cuid;     //	创建者id
   gid_t          cgid;     //	创建者组id
   unsigned short mode;     //	权限
   unsigned short __seq;    //	序列号
};

编程模型：

	进程A				进程B
  创建共享内存		获取共享内存
  映射共享内存		映射共享内存
  写数据并通知对方	  接收到通知后读取数据
  接收到通知后读取数据 写数据并通知对方
  取消映射		     取消映射
  删除共享内存

3、消息队列：

基本原理：

• 由系统内核维护的一个链式队列，每个节点称为一条消息，每条消息由消息类型、数据、长度信息组成
• 和管道类似，可以双向通信，并且从中读取一个消息后，会自动出队，而且不是按照顺序读取，是按照消息类型读取

相关API：

/**
 * 功能: 创建\获取消息队列
 * @key: IPC键值
 * @msgflg:
 *	0			-获取，不存在则失败
 *	IPC_CREAT	-创建，不存在则创建，存在会获取，除非
 *  IPC_EXCL	-排斥，已存在则创建失败
 *  mode		-消息队列权限，创建时必给
 * 返回值: IPC描述符，失败-1
*/
int msgget(key_t key, int msgflg);
    
/**
 * 功能: 向消息队列发送消息包
 * @msqid: IPC描述符
 * @msgp: 提供一个包含有消息类型和消息内容的消息包内存块，参考格式如下：
 *	struct msgbuf {
 *      long mtype;       //	消息类型
 *      char mtext[1];    //	消息内容，也可以使用柔性数组
 *  };
 * @msgsz: 提供消息包中消息内容的字节数，不包含消息类型的字节数
 * @msgflg:
 *	0		-如果当消息队列中没有空闲空间，该函数会一直阻塞
 *	IPC_NOWAIT	-当消息队列中没有空闲空间，不会阻塞，返回-1
 * 返回值: 成功0 失败-1
*/
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);

/**
 * 功能: 从消息读取消息包
 * @msqid: IPC描述符
 * @msgp: 接收消息包的结构体首地址，也是由消息类型+消息内容组成，输出型参数
 * @msgsz: 消息包的字节数，如果实际消息包的大小>msgsz，会立即返回-1
 * @msgtyp: 要接收的消息类型
 *	0	-获取消息队列中的第一条消息
 *	>0	-获取指定消息类型的消息
 *	<0  -获取消息队列中，消息类型小于或等于abs(msgtyp)的消息，如果有多个，则接收最小值的
 * @msgflg:
 *	0			阻塞等待
 *	IPC_NOWAIT	如果消息队列中没有该消息类型的消息，直接返回
 *	MSG_EXCEPT  获取消息队列中第一个不等于msgtyp的消息，msgtyp>0
 *   MSG_NOERROR 如果包含它，则当消息包的大小>msgsz时，不会报错，并接收msgsz字节
 * 返回值: 成功接收到的消息的字节数
*/
ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,int msgflg);

/**
 * 功能: 销毁消息队列、获取消息队列属性、设置消息队列属性
 * @shmid: IPC描述符
 * @cmd:
 *	IPC_SET		-设置消息队列的属性  buf输入型参数，只有uid、gid、mode可设置
 *	IPC_STAT	-获取消息队列属性	buf输出型参数
 *	IPC_RMID	-删除消息队列	buf给NULL即可
*/
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

struct msqid_ds {
   struct ipc_perm msg_perm;     //	与shmctl的一致
   time_t          msg_stime;    /* Time of last msgsnd(2) */
   time_t          msg_rtime;    /* Time of last msgrcv(2) */
   time_t          msg_ctime;    //	最后属性修改时间
   unsigned long   __msg_cbytes; // 消息队列中的字节数
   msgqnum_t       msg_qnum;     //	消息队列中的消息数
   msglen_t        msg_qbytes;   //	消息队列运行的最大字节数
   pid_t           msg_lspid;    /* PID of last msgsnd(2) */
   pid_t           msg_lrpid;    /* PID of last msgrcv(2) */
};

编程模型：

		进程A				进程B
    创建消息队列		  获取消息队列
    发送消息(type:a)	接收消息(type:a)
    接收消息(type:b)    发送消息(type:b) 
    销毁消息队列		

4、信号量:

基本原理：

• 所谓信号量就是内核中维护的一个全局变量，当做计数器，用于计数多进程工作中的共享资源数，也是为了限制多进程对共享资源的使用
• 信号量是一种数据操作锁，本身是不具备数据交换通信功能的，而是通过控制其他进程的通信资源来协助实现进程间通信
  • 假设操作系统中有n个共享资源，需要把信号量的值设置为n
  • 当有m个进程需要以独占的形式使用k个共享资源，并且m*k>n，需要使用信号量
  • 每个进程在使用共享资源之前先尝试执行信号量-1操作
  • 如果信号量>0时，说明剩余共享资源够用，则-1后拿到共享资源去执行，当执行完毕后，需要把共享资源归还，信号量+1操作
  • 如果信号量<=0时，说明共享资源不足，则进程阻塞等待，直到信号量的值>0,才重新唤醒后，继续尝试-1
• 注意：进程之间资源几乎都是相互独立的，共享资源很少，所以很少用到信号量

相关API：

/**
 * 功能: 创建或获取信号量集合
 * @key: IPC键值
 * @nsems: 表示信号量集合中信号量的数量，一般写1即可
 * @semflg:
 *	0			-获取，不存在则失败
 *	IPC_CREAT	-创建，不存在则创建，存在会获取，除非
 *  IPC_EXCL	-排斥，已存在则创建失败
 *  mode		-消息队列权限，创建时必给
 * 返回值：IPC描述符，失败-1
*/
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

/**
 * 功能: 对信号量集中的信号量进行加减操作
 * @semid: IPC描述符
 * @sops: 结构体数组首地址
 * struct sembuf{
 *     unsigned short sem_num;  //	信号量在信号集中的下标
 *     short sem_op;   //  操作数
 *  				   //	如果sem_op大于0，则将其加到下标sem_num号信号量中，相当于资源释放
 * 				       //	如果sem_op小于0，则将其对下标sem_num号信号量中的值相减，相当于获取资源
 *     short sem_flg;  //	操作标记位
 *    			       //	0 如果下标sem_num号信号量不够减，进程会阻塞等待，直到资源数够减为止
 *    			       //	IPC_NOWAIT  不阻塞等待
 * };
 * @nsops: 表示sops结构体数组的指针中指向了多少个结构体，就是要操作的信号量的数量，一般写1
*/
int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);

/**
 * 功能: 删除信号量、获取信号量属性、设置信号量属性
 * @semnum: 表示对信号量集合中semnum下标的信号量进行操作
 * @cmd:
 *	IPC_SET		-设置信号量的属性  buf输入型参数，只有uid、gid、mode可设置
 *	IPC_STAT	-获取信号量属性	buf输出型参数
 *	IPC_RMID	-删除信号量	buf给NULL即可
 *	GETALL		-获取信号量集合中所有信号量的值，放入semun.array
 *	SETALL		-设置信号量集合中所有信号量的值，通过semun.array修改
 *	SETVAL		-设置信号量集合中某个信号量的值，通过semun.val修改
 *	GETVAL		-获取信号量集合中某个信号量的值，通过返回值获取
 * 根据cmd的选择，使用第四个参数semun的值
 * union semun {
 *     int val;    // Value for SETVAL
 *     struct semid_ds *buf;    // Buffer for IPC_STAT, IPC_SET
 *     unsigned short *array;  /// Array for GETALL, SETALL
 *     struct seminfo *__buf;  // Buffer for IPC_INF (Linux-specific)
 *  };
*/
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);