一、简介：

        System V进程通信（System V IPC）是一组在Unix和类Unix操作系统中用于进程间通信的机制。这些机制在System V Release 2中首次引入，并在POSIX标准中得到部分采纳。System V IPC主要包括以下几种通信方式：

消息队列（Message Queues）：

消息队列允许一个或多个进程写入或读取消息。消息队列可以看作是一个消息链表，每个消息都有一个类型和一个优先级。进程可以向队列中添加消息，也可以从队列中读取消息。
信号量（Semaphores）：

信号量是一种用于同步进程的机制。它可以用来控制多个进程对共享资源的访问。System V信号量分为两种：二进制信号量和计数信号量。信号量通过操作原语如P（等待）和V（信号）来工作。
共享内存（Shared Memory）：

共享内存允许两个或多个进程共享一段内存区域。这是最快的IPC方式，因为数据不需要在客户和服务器进程间复制，而是直接在内存中共享。共享内存通常与信号量结合使用，以同步对共享内存的访问。

2、消息队列

1、相关原理的简单介绍

进程之间的通信都要让两个进程看到同一块资源，在消息队列这种通信方式下，就是让两个进程在内核当中看到同一个队列。两个进程只需要向队列中写入特定类型的数据，由另外一个进程读取这个类型的数据即可。

2、相关接口介绍

<1>msgget

申请一个消息队列，参数key和shmget的key作用一样，都是标识队列的唯一性，参数msgflg和shmget的参数shmflg是一样的，一般常用的有两种参数 IPC_CREAT和IPC_EXCL(具体作用不赘述)，成功返回msgid，失败返回-1，其返回值msgid可以作为用户层面上区分队列的标识。

<2>msgctl

该系统调用用来对消息队列进行控制，msqid为msgget的返回值。cmd参数表示控制命令，常用的为以下三个：

        IPC_STAT：获取消息队列的各种属性。
        IPC_SET：对消息队列的中的属性进行设置。
        IPC_RMID：删除消息队列。(如果在终端上，我们可以使用ipcrm -q + msgid来对消息队列进行删除)。
struct msqid_ds* buf是一个输出型参数，这个结构体和struct shmid_ds几乎完全一样，该结构体中的成员都是消息队列的一些属性进行描述。

其中在结构体struct ipc_perm中可以获取key值的大小。

<3>msgsnd&&msgrcv

msgsnd表示向消息队列中发送消息，msgrcv表示向消息队列中接受信息。

第一个参数就是msgget的返回值，我们直接传入即可。在第二个参数上，两个系统调用的传参稍稍有点差异，首先我们都需要定义一个struct msgbuf；

在这个结构体中，第一个成员是消息的类型，第二个成员是具体的消息数据。在msgsnd系统调用时我们需要将该结构体内的数据手动补充完成后，再传入数据，在msgrcv中不用，只要在定义好后，传入指针即可。第三个参数就是结构体中mtext数据的大小。而msgflg这个参数我们直接设置为0，表示默认就可以了。msgtyp表示需要接受的消息队列的类型。

3、信号量

1、简单的原理介绍

在正式介绍信号量之前，我们需要了解一些预备知识：

<1>对一个共享资源的保护，是在多执行流场景下的一个常见问题，这是因为在多个执行流访问同一块共享资源时，可能会造成一些问题，比如数据不一致等。目前，管道通信是系统帮我们将管道这个共享资源进行保护，而共享内存是不会被OS主动保护的，需要用户去手动保护。、

<2>为了保护共享资源，我们一般有两种机制，我们称为互斥和同步机制。互斥，我们可以理解成当一名同学去食堂打饭时，打饭的阿姨只能给这一名同学打饭，而不能给其他同学打的这种状态，我们就可以理解成互斥状态。而同步，我们可理解成一名同学打饭，打饭完成后立马吃完，一直站在窗口上，不断让阿姨打饭，这样就会造成其他同学压根打不到饭。所以规定一个同学打完饭后必须重新站到队尾，让每个同学都能打到饭，这种机制，我们就称为同步。

<3>被保护起来的，任意时刻只允许一个执行流访问的公共资源，我们称为临界资源，访问临界资源的代码，我们就叫做临界区，其他区域叫非临界区。

<4>原子性：操作对象的时候，只有两种情况，要么还没开始，要么已经结束。

注：由于信号量涉及的内容大多与多线程有关，所以下面只做简单的介绍。

我们以电影票买票来引入信号量的概念，当我们去看电影时，一般都需要购买电影票，只有买了电影票，才能在电影的时候拥有座位。这个座位实际上是就属于电影院的一种资源，我们买票的过程就是对资源进行预定，预订以后，虽然资源现在没有被我持有，但是在未来的时间段内，只要我想，就可以使用这一部分资源。

而电影院，就需要合理的卖票 -- 有多少资源，我们就卖多少票，而电影院需要确保每一份资源都不会出现并发访问的情况，也就是多人持有一张票的情况。虽然我们将电影院看成一个整体使用(也就是只有一张票)情况下，不容易出现问题，但是资源的利用效率太低。为了提高资源的利用率，我们就在电影院中安排了很多座位，也就是将电影院资源分成很多小资源。而当进程进来申请资源时，我们需要防止申请进程数大于资源数量的情况。为了避免该情况的发生，我们就需要限制进来的进程数，合理地分配资源。

如何限制进来地进程数呢？这就需要提到信号量了，信号量本质上是一个计数器，用于描述临界资源地一个计数器(我们用int count 这个变量来描述这个计数器)。

而我们的进程申请信号量，就相当于买票预定，只要信号量申请成功(count -- )，就一定有你的资源。如果我们申请失败，就必须继续等，只有等待申请成功，才能进行下一步。申请完成后，我们就可以进行访问资源，访问完成后，就可以释放信号量(count ++)。申请信号量和释放信号量的过程就是在保护临界资源。 

这里有一个问题，那就是在多进程场景下中，我们可不可以用int来实现信号量呢？ 答案是不行，因为在进程之间，整型变量无法共享。不同的进程需要看到同一块计数器资源。另一个原因是因为整型的加减不是原子的，在我们将整型的加减代码转换成汇编代码，我们就会发现加减代码回转成多条汇编语句，只有一条汇编语句才能绝对保证原子性(了解即可)。

上面我们申请信号量和释放信号量，都是多进程/线程必须遵守的规定。所有进程访问临界资源时，都必须先申请信号量，这就说明所有的进程都要看到同一个信号量资源，那么信号量就是一块共享资源，为了确保这个信号量的安全，OS就必须确保信号的申请和释放操作是原子的。而申请信号量我们称为P操作，释放信号量我们称为V操作，和起来我们称为PV操作。

当我们的信号为1时，这就是互斥，而这个二元信号量也是就是一把锁。

2、信号量的相关接口：

当我们申请信号量时，是可以申请申请多个信号量，注意区分申请一个大小为n的信号量。

<1>semget

该系统调用的接口用于创建一个信号量集，第一个参数key和消息队列、共享内存的key无异，第二个参数表示想申请几个信号量，第三个参数和消息队列的shmget与msgget中的第三个参数无异，我们一般使用IPC_CREAT和IPC_EXCL。如果成功返回一个非负整数（semid），用于标识信号量集，失败返回-1。

<2>semctl

该接口用于控制创建的信号量集，第一个参数，我们返回semid即可。第二个参数，表示要对信号集中哪一个参数进行调整。第三个参数表示要对哪些信号量进行哪些操作。常见的有IPC_STAT、IPC_RMID、IPC_SET等等，和shmctl和msgctl的选项功能一样。" .... "这是一个可选的参数，它是一个union semun类型的变量，包含了与特定命令相关的附加信息。某些semctl命令需要额外的数据来执行操作，比如设置信号量的值、获取信号量集的权限等。这个参数提供了这些数据。

<3>semop

该接口用于表示对特定信号量执行操作。

第一个参数表示要对哪一个信号集进行操作，第二个参数需要我们自己定义一个结构体struct sembuf，里面包含的成员有如下几个：

第一个成员表示要对信号量集（我们可以看成一个数组）的哪一个进行操作，该参数就是信号量集的下标，第二个成员表示要进行P操作还是V操作，-1表示要进行P操作，1表示进行V操作。第三个成员表示操作标识，默认设为0。

第三个参数指定信号操作的数量，也就是操作几次。

4、system V进程通信的原理

通过上面的介绍，我们其实可以发现，共享内存，消息队列这三个通信方式有很多的相似之处，这是OS故意为之，目的就是为了更好地管理这些IPC资源( Inter-Process Communication)。为了管理好这些资源，OS肯定需要通过结构体对这些资源进行描述和组织。

在内核中，存在一个ipc_ids的结构体管理ipc资源，其中包含了一个entries指针，这个指针指向ipc_id_ary，在ipc_id_ary中有一个柔性数组，存放了struct kern_ipc_perm* 的指针，struct kern_ipc_perm是在内核中管理这些ipc资源属性的结构体。每当我们创建ipc资源时，OS就把描述对应资源的结构体指针放入该柔性数组。msgid、shmid、semid其实就是对应的数组下标，如果下标过大，id会进行回绕。这里操作系统将所有的指针都看成kern_ipc_perm，当OS需要对特定ipc资源进行操作时，直接把对应的指针强转为对应的类型即可，这里访问ipc资源可以通过key来实现（key的地址就是每个结构体的地址，通过key就可以直接访问结构体）。为了获取对应的类型，OS会在ipc_perm的mode成员中加入数据类型。我们一般可以用位操作定义不同的宏，通过宏来表示不同的类型。

但是由于其设计理念和Liunx一切皆文件的设计初衷稍有偏差，导致这种通信方式已经被边缘化。感谢阅读，如有不对之处，还望各位大佬指正。