共享内存+信号量+消息队列实现IPC 嵌入式系统开发

一组服务器与客户端之间通信方式有很多，下面介绍一种共享内存+信号量+消息队列的形式来实现进程间的通信。
信号量：信号量（semaphore）与已经介绍过的 IPC 结构不同，它是一个计数器。信号量用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于存储进程间通信数据。
特点：
信号量用于进程间同步，若要在进程间传递数据需要结合共享内存。
信号量基于操作系统的 PV 操作，程序对信号量的操作都是原子操作。
每次对信号量的 PV 操作不仅限于对信号量值加 1 或减 1，而且可以加减任意正整数。
支持信号量组。

原型：
#include
// 创建或获取一个信号量组：若成功返回信号量集ID，失败返回-1
int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);
// 对信号量组进行操作，改变信号量的值：成功返回0，失败返回-1
int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t numops);
// 控制信号量的相关信息
int semctl(int semid, int sem_num, int cmd, ...);

共享内存：共享内存（Shared Memory），指两个或多个进程共享一个给定的存储区。
特点：
共享内存是最快的一种 IPC，因为进程是直接对内存进行存取。
因为多个进程可以同时操作，所以需要进行同步。
信号量+共享内存通常结合在一起使用，信号量用来同步对共享内存的访问。
原型：
#include
// 创建或获取一个共享内存：成功返回共享内存ID，失败返回-1
int shmget(key_t key, size_t size, int flag);
// 连接共享内存到当前进程的地址空间：成功返回指向共享内存的指针，失败返回-1
void *shmat(int shm_id, const void *addr, int flag);
// 断开与共享内存的连接：成功返回0，失败返回-1
int shmdt(void *addr);
// 控制共享内存的相关信息：成功返回0，失败返回-1
int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf);

消息队列：消息队列，是消息的链接表，存放在内核中。一个消息队列由一个标识符（即队列ID）来标识。
特点：
消息队列是面向记录的，其中的消息具有特定的格式以及特定的优先级。
消息队列独立于发送与接收进程。进程终止时，消息队列及其内容并不会被删除。
消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取。
原型：
#include
// 创建或打开消息队列：成功返回队列ID，失败返回-1
int msgget(key_t key, int flag);
// 添加消息：成功返回0，失败返回-1
int msgsnd(int msqid, const void *ptr, size_t size, int flag);
// 读取消息：成功返回消息数据的长度，失败返回-1
int msgrcv(int msqid, void *ptr, size_t size, long type,int flag);
// 控制消息队列：成功返回0，失败返回-1
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

综合示例：
server.c

#include #include #include// shared memory #include// semaphore #include// message queue #include// memcpy// 消息队列结构 struct msg_form { long mtype; char mtext; }; // 联合体，用于semctl初始化 union semun { intval; /*for SETVAL*/ struct semid_ds *buf; unsigned short*array; }; // 初始化信号量 int init_sem(int sem_id, int value) { union semun tmp; tmp.val = value; if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, tmp) == -1) { perror("Init Semaphore Error"); return -1; } return 0; }// P操作: //若信号量值为1，获取资源并将信号量值-1 //若信号量值为0，进程挂起等待 int sem_p(int sem_id) { struct sembuf sbuf; sbuf.sem_num = 0; /*序号*/ sbuf.sem_op = -1; /*P操作*/ sbuf.sem_flg = SEM_UNDO; if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1) { perror("P operation Error"); return -1; } return 0; }// V操作： //释放资源并将信号量值+1 //如果有进程正在挂起等待，则唤醒它们 int sem_v(int sem_id) { struct sembuf sbuf; sbuf.sem_num = 0; /*序号*/ sbuf.sem_op = 1; /*V操作*/ sbuf.sem_flg = SEM_UNDO; if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1) { perror("V operation Error"); return -1; } return 0; }// 删除信号量集 int del_sem(int sem_id) { union semun tmp; if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, tmp) == -1) { perror("Delete Semaphore Error"); return -1; } return 0; }// 创建一个信号量集 int creat_sem(key_t key) { int sem_id; if((sem_id = semget(key, 1, IPC_CREAT|0666)) == -1) { perror("semget error"); exit(-1); } init_sem(sem_id, 1); /*初值设为1资源未占用*/ return sem_id; }int main() { key_t key; int shmid, semid, msqid; char *shm; char data[] = "this is server"; struct shmid_ds buf1; /*用于删除共享内存*/ struct msqid_ds buf2; /*用于删除消息队列*/ struct msg_form msg; /*消息队列用于通知对方更新了共享内存*/// 获取key值 if((key = ftok(".", 'z')) < 0) { perror("ftok error"); exit(1); }// 创建共享内存 if((shmid = shmget(key, 1024, IPC_CREAT|0666)) == -1) { perror("Create Shared Memory Error"); exit(1); }// 连接共享内存 shm = (char*)shmat(shmid, 0, 0); if((int)shm == -1) { perror("Attach Shared Memory Error"); exit(1); }// 创建消息队列 if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1) { perror("msgget error"); exit(1); }// 创建信号量 semid = creat_sem(key); // 读数据 while(1) { msgrcv(msqid, &msg, 1, 888, 0); /*读取类型为888的消息*/ if(msg.mtext == 'q')/*quit - 跳出循环*/ break; if(msg.mtext == 'r')/*read - 读共享内存*/ { sem_p(semid); printf("%s\n",shm); sem_v(semid); } }// 断开连接 shmdt(shm); /*删除共享内存、消息队列、信号量*/ shmctl(shmid, IPC_RMID, &buf1); msgctl(msqid, IPC_RMID, &buf2); del_sem(semid); return 0; }

client.c

#include #include #include// shared memory #include// semaphore #include// message queue #include// memcpy// 消息队列结构 struct msg_form { long mtype; char mtext; }; // 联合体，用于semctl初始化 union semun { intval; /*for SETVAL*/ struct semid_ds *buf; unsigned short*array; }; // P操作: //若信号量值为1，获取资源并将信号量值-1 //若信号量值为0，进程挂起等待 int sem_p(int sem_id) { struct sembuf sbuf; sbuf.sem_num = 0; /*序号*/ sbuf.sem_op = -1; /*P操作*/ sbuf.sem_flg = SEM_UNDO; if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1) { perror("P operation Error"); return -1; } return 0; }// V操作： //释放资源并将信号量值+1 //如果有进程正在挂起等待，则唤醒它们 int sem_v(int sem_id) { struct sembuf sbuf; sbuf.sem_num = 0; /*序号*/ sbuf.sem_op = 1; /*V操作*/ sbuf.sem_flg = SEM_UNDO; if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1) { perror("V operation Error"); return -1; } return 0; }int main() { key_t key; int shmid, semid, msqid; char *shm; struct msg_form msg; int flag = 1; /*while循环条件*/// 获取key值 if((key = ftok(".", 'z')) < 0) { perror("ftok error"); exit(1); }// 获取共享内存 if((shmid = shmget(key, 1024, 0)) == -1) { perror("shmget error"); exit(1); }// 连接共享内存 shm = (char*)shmat(shmid, 0, 0); if((int)shm == -1) { perror("Attach Shared Memory Error"); exit(1); }// 创建消息队列 if ((msqid = msgget(key, 0)) == -1) { perror("msgget error"); exit(1); }// 获取信号量 if((semid = semget(key, 0, 0)) == -1) { perror("semget error"); exit(1); }// 写数据 printf("***************************************\n"); printf("*IPC*\n"); printf("*Input r to send data to server.*\n"); printf("*Input q to quit.*\n"); printf("***************************************\n"); while(flag) { char c; printf("Please input command: "); scanf("%c", &c); switch(c) { case 'r': printf("Data to send: "); sem_p(semid); /*访问资源*/ scanf("%s", shm); sem_v(semid); /*释放资源*/ /*清空标准输入缓冲区*/ while((c=getchar())!='\n' && c!=EOF); msg.mtype = 888; msg.mtext = 'r'; /*发送消息通知服务器读数据*/ msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0); break; case 'q': msg.mtype = 888; msg.mtext = 'q'; msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0); flag = 0; break; default: printf("Wrong input!\n"); /*清空标准输入缓冲区*/ while((c=getchar())!='\n' && c!=EOF); } }// 断开连接 shmdt(shm); return 0; }

【共享内存+信号量+消息队列实现IPC】