1、XSI IPC message queues
semaphores
share memory
(1)它们在内核都与一个非负整数对应，这个数通常很大；当IPC结构体移除时，这个数会增加到最大值并最终变成0.
(2)这个整数是内部IDENTIFIERS，而进程之间必须用外部IDENTIFI ERS，这就是KEY;而KEY转化成内部IDENTIFIERS由KERNEL完成
(3)SERVER和client的KEY的创建：
IPV_PRIVATE KEY：server使用 IPC_PRIVATE创建，并存储起来(比如一个文件)让client去获取；也可用于父子进程(作为一个参数传递给EXEC)
在一个共同的HEADER文件定义KEY：必须防止KEY已经关联一个IPC结构体
使用pathname和PID，用ftok函数转变成一个KEY:
#include <sys/ipc.h>
key_t ftok(const char *pathname, int id);
key if OK, (key_t)-1 on error
|
(pathname必须对应1个文件，只有id的低8位用来生成key；）注1：不同的pathname形同的PID可能产生相同的KEY
注2：想关联到一个已经存在的queue(一般是由client)，key必须与queue刚创建的key相等，并且必须设定为IPC_CREAT；
(4)Permission Structure
struct ipc_perm {
uid_t uid; // owner's effective user id
gid_t gid; // owner's effective group id
uid_t cuid; // creator's effective user id
gid_t cgid; // creator's effective group id
mode_t mode; // access mode
.
.
.
}
|
可以使用msgctl, semctl或shmctl修改上述值(5)Advantages and Disadvantages
所有的XSI IPC结构体都是systemwide并且没有reference计数；
它们不是以名字显示在文件系统里，所以无法用read write 之类的文件操作函数；
它们不使用文件描述符，所以不能使用multiplexed I/O 函数比如 select poll；
它们可以使用1个函数msgsnd调用完成一个进程的传递1个消息到message queue，而其他形式的IPC一般需要open,write,和close;
它们是reliable, flow controlled, record oriented,可以被processed in(除了FIFO顺序)
| IPC type |
Connectionless? |
Reliable? |
Flow Control? |
Records? |
Message types or priority? |
| |
|
|
|
|
|
| message queue |
no |
yes |
yes |
yes |
yes |
| STREAMS |
no |
yes |
yes |
yes |
yes |
| UNIX domain stream socket |
no |
yes |
yes |
no |
no |
| UNIX domain datagram socket |
yes |
yes |
no |
yes |
no |
| FIFOs(non-STREAMS) |
no |
yes |
yes |
no |
no |
注1：Connectionless意味着发送信息不用调用open之类的函数
注2：Flow Control意味着如果资源(buffer)短缺或receiver无法接受更多信息，sender会进入sleep；当flow control条件达到，sender自动awaken.
2、MESSAGE QUEUE
(1)message queue是1个内核中的message链表，有1个message queue identifier(queue ID)
(2)msgget：创建或者打开1个已经存在的queue
msgsnd：添加新message加到queue的末尾
(注：包括message的长整数，非负长度，实际数据)
msgrcv：从queue上获取messages，按下面的type field获取
struct msquid_ds {
struct ipc_perm msg_perm; //权限
msgqnum_t msg_qnum; // # of messages on queue
msglen_t msg_qbytes; // max # of bytes on queue
pid_t msg_lspid; // pid of last msgsnd()
pid_t msg_lrpid; // pid of last msgrcv()
time_t msg_stime; // last-msgsnd() time
time_t msg_rtime; // last-msgrcv() time
time_t msg_ctime; // last change time
.
.
.
}
|
(3)system limits(linux) message最大byte数： 8192
queue最大byte数： 16384
最大queue数： 16
最大message数： 16384*16
(4)msgget(打开一个已经存在的queue或者创建一个新queue)
#include <sys/msg.h>
int msgget(key_t key, int flag);
Returns: message queue ID if OK, -1 on error
|
创建一个新queue，struct msqid_ds的初始化 .ipc_perm相应
.msg_qnum,msg_lspid, msg_lrpid, msg_stime和msg_rtime全部设置为0
.msgctime设置为当前时间
.msg_qbytes设置为system limit
(5)msgctl(在queue上执行各种操作，同semaphores的semctl以及shared memory的shmctl)
#include <sys/msg.h>
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
Returns: 0 if OK, -1 on error
|
cmd(这三个命令也用于semaphores和shared memory): .IPC_STAT：获取struct msqid_ds并把指针赋给buf；
.IPC_SET：拷贝buf指向的相关数据到queue关联的struct msqid_ds，包括下面数据,msg_perm.uid, msg_perm.gid, msg_pern.mode, msg_perm_qbytes(只有euid与msg_perm.cuid或msg_perm.uid相等 或者 具有superuser权限的进程才能执行命令,只有superuser可以增加msg_qbytes)
.IPC_RMID：移除message queue以及相关数据(权限同IPC_SET)这个移除是立即性的，任何使用该queue的进程会返回1个EIDRM的错误
(6)msgsnd(把数据放到1个message queue)
#include <sys/msg.h>
int msgsnd(int msqid, const void *ptr, size_t nbytes, int flag);
Returns: 0 if OK, -1 on error
|
新加的message一般都放在queue的最后面
ptr：包含message类型(正整数)和message数据，例如
struct mymesg{
long mtype; // positive message type
char mtext[512]; // message data, of length nbytes
};
|
flag:可以设置为IPC_NOWAIT，跟I/O flag的nonblock类似；如果message queue满了，立即返回错误EAGAIN； 如果没设置IPC_NOWAIT，必须等到有空闲空间，或者系统移除这个queue(返回EIDRM“identifier removed”)，或者获取到一个signal并且signal handler返回(返回EINTR)；
注：msgsnd成功后，与message queue关联的struct msqid_ds会更新调用者相关的msg_lspid,msg_stime,msg_qnum。
(7)msgrcv(从queue上获取mssage)
#include <sys/msg.h>
ssize_t msgrcv(int msqid, void *ptr, size_t nbytes, long type, int flag);
Returns: size of data portion of message if OK, -1 on error
|
ptr:同msgsndnbytes:data buffer的大小(如果message大于data buffer，flag会被设置成MSG_NOERROR, message会被truncated,如果message太大并且flag的值未设置,会返回E2BIG的错误)
type: ==0 返回queue上的第一个message
> 0 返回第一个type相等的message
< 0 返回第一个type值最低的但得小于等于type的绝对值
flag: IPC_NOWAIT,没有立即返回-1并把error设置为ENOMSG，
否则一直等到有，或者系统移除queue(返回EIDRM)，或者
捕获到signal并且signal handler返回(返回EINTR)
注：msgrcv成功后，与message queue关联的struct msqid_ds会更新调用者相关的msg_lrpid,msg_rtime,msg_qnum。
3、SEMAPHORES
(1)sempahores是一个计数器，用于提供多进程之间共享数据的访问
获取一个共享资源步骤：
.测试semaphore从而控制资源
.如果semaphore是正值，那么进程可以使用该资源，并把semaphore值-1
.如果semaphore值为0，进程进入sleep直到semaphore值大于0；当进程wake up，返回第一步
注：当进程完成对共享资源使用，semaphore值+1
(2)system limits(linux)
semaphore最大值 32767
semaphore的adjust_on_exit最大值 32767
semaphore sets最大数量 128
semaphore最大数量 32000
每个semaphore set最大semaphore数 250
undo struct最大数量 32000
每个undo struct最大entry数量 32
每个semop调用的最大操作数 32
(3)semget(获取一个semaphore ID)
#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int flag);
Returns: semaphore ID if OK,-1 on error
|
将KEY转换为一个identifier，初始化struct semid_dsstruct semid_ds{
struct ipc_perm sem_perm;
unsigned short sem_nsems; // # of semaphores in set
time_t sem_otime; // last-semop() time
time_t sem_ctime; // last-change time
.
.
.
}
|
(sem_otime设置为0sem_ctime设置为当前时间
sem_nsems设置为nsems,如果是reference已存在的set，则为0)
(4)semctl（各种semaphore操作的集合）
#include <sys/sem.h>
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ... /*union semun arg */);
Returns: see following
|
注：第四个参数是可选的，根据cmd扩展：union semun {
int val; //for SETVAL
struct semid_ds *buf; // for IPC_STAT和IPC_SET
unsigned short *array; //for GETALL和SETALL
}; |
cmd：(0 .IPC_STAT：为set获取struct semid_ds并存储在arg.buf中
.IPC_SET：设置sem_perm.uid sem_perm.gid和sem_perm.mode但进程必须有权限
.IPC_RMID：从系统中移除semaphore set，这个移除是立即性的，接下来跟这个set相关的操作会返回EIDRM，移除必须有相应权限
注：每一个semaphore都会被一个匿名的struct表示
struct {
unsigned short semval; // semaphore value, always >= 0
pid_t sempid; // pid for last operation
unsigned short semncnt; // #processes awaiting semval>curval
unsigned short semzcnt; // #processes awaiting semval == 0
.
.
.
};
|
.GETVAL：返回semval值(for the member semnum) .SETVAL：设置semval值(同上)，值由arg.val指定
.GETPID：返回sempid值(同上)
.GETNCNT：返回semncnt值(同上)
.GETZCNT：返回semzcnt值(同上)
.GETALL：返回set里所有semaphore值，存储在arg.arry指针中
.SETALL：设置所有semaphore值，由arg.array指向
注：除了GETALL，其他get命令返回相应值，其他命令返回0
(5)semop(atomically performs an array of operations on a semaphore set)
#include <sys/sem.h>
int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t nops);
Returns: 0 if OK, -1 on error
|
sembuf结构体struct sembuf {
unsigned short sem_num; // member # in set (0, 1,... , nsems -1)
short sem_op; // operation (negative, 0, or positive )
short sem_flg; // IPC_NOWAIT, SEM_UNDO
};
|
nops：设置array操作号sem_op:
.positive: semaphore值会加上这个值，如果flag为undo，则减去这个值
.negative: 如果semaphore值>=|sem_op|，那么semaphore值减去|sem_op|，若flag为undo，则增加相应值
如果semaphore值<|sem_op|:
- 如果设置了IPC_NOWAIT，则返回EAGAIN错误
- 如果没有IPC_NOWAIT,semaphore的semncnt值增加，调用者进入sleep直到下面三个有1个发生
【1】semaphore值 >= |sem_op|,semncnt值减小 【2】系统移除semaphore，函数返回EIDRM
【3】进程捕获signal且signal handler返回，semncnt值减小，函数返回EINTR
.0: 调用进程想等待semaphore值变成0
如果sempahore值为0，立即返回
如果semaphore值不是0
- 如果设置了IPC_NOWAIT，则返回EAGAIN错误
- 如果没有IPC_NOWAIT,semaphore的semzcnt值增加，调用者进入sleep直到下面三个有1个发生
【1】semaphore值 >= |sem_op|,semncnt值减小 【2】系统移除semaphore，函数返回EIDRM
【3】进程捕获signal且signal handler返回，semzcnt值减小，函数返回EINTR
4、SHARED MEMORY
(1)最快形式的IPC，一般semaphore用于同步共享内存访问，内核都有一个结构体与每个shared memeory segment对应
struct shmid_ds {
struct ipc_perm shm_perm;
size_t shm_segsz; // size of segment in bytes
pid_t shm_lpid; // pid of last shmop()
pid_t shm_cpid; // pid of creator
shmatt_t shm_nattch;// number of current attaches
time_t shm_atime; // last-attach time
time_t shm_dtime; // last-detach time
time_t shm_ctime; // last-change time
.
.
.
};
|
shmatt_t 大小一般等同于 unsigned short
(2)system limit(linux)
1个shared memory segment最大值： 33,554,332bytes
1个shared memory segment最小值： 1byte
system wide,shared memory segment最大数量： 4096
每个进程 shared memory segment最大数量： 4096
(3)shmget(获取1个shared memory identifier)
#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int flag);
Returns: shared memory ID if OK, -1 on error
|
新segment初始化： .ipc_perm初始化到相应的权限
.shm_lpid, shm_nattach, shm_atime, shm_dtime为0
.shm_ctime为当前时间
.shm_segsz为size大小
size：shared memory segment大小(单位byte)，一般是page size的倍数，否者，最后剩余的空间无法利用；如果reference已存在的segment，size为0；如果是新segment，则指定大小，并初始化内容为0
(4)shmctl(各种shared memory操作集合)
#include <sys/shm.h>
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
Returns: 0 if OK, -1 on error
|
cmd: .IPC_STAT：获取shmid_ds结构体，并存储在buf中
.IPC_SET：根据buf内容，设置shm_perm.uid, shm_perm.gid, shm_perm.mode，必须要有相应权限
.IPC_RMID：移除shared memory segment，直到最后一个进程使用完segment，这个segment才会被移除，但是segment的identifier立即移除，shmat()无法attach segment；移除必须有相应权限。
.SHM_LOCK：锁住shared memory segment中的内存区域，只能由superuser发起
.SHM_UNLOCK：对应上面的操作，也只能是superuser
(5)shmatt(进程用这个函数跟segment的地址空间attach)
#include <sys/shm.h>
void *shmat(int shmid, const void *addr, int flag);
Returns: pointer to shared memroy segment if OK, -1 on error
|
addr: .如果addr==0，segment attach到内核所选的第一个可用地址，这是推荐用法
.如果addr!=0,flag！=SHM_RND，segment attach到addr指定的地址
.如果addr!=0,flag==SHM_RND，segment attach到(addr-(addr modulus SHMLBA));SHM_RND代表"round"，SHMLBA代表"low boundary address multiple"，总是2的次方；算法是round地址到下一个SHMLBA的倍数
flag：
SHM_RDONLY,segment只读，否则是可读可写的
注：若shmat成功，shm_nattch值增加
(6)shmdt(与shmat对应，detach segment)
#include <sys/shm.h>
int shmdt(void *addr);
Returns: 0 if OK, -1 on error
|
注：并没有移除identifier和相关数据结构，直到一些进程调用shmctl使用命令IPC_RMID。成功后，shm_nattch值减小
