进程间通信(上)— 共享内存、信号量、消息队列Copy Anchor Link

这一章讲什么: 进程之间不能互看内存(fork 给的也只是副本), 那它们怎么交换数据?答案分两大流派:共享内存——造一块大家 都能映射进来的内存,快,但「别打起来」归你管;数据传输—— 走内核管理的通道(消息队列、管道),慢,但通道自带排队和互斥。 本章讲 POSIX 版的三大件:共享内存、信号量、消息队列,并用 「生产者-消费者」这个经典问题把三者串成一个完整方案。 第 13 章接棒讲管道和 FIFO。

1. 顶层全景:一张图定终身Copy Anchor Link

  共享内存流派:造一块共享内存 → 两个进程各自 mmap 进来
      │  数据传输 = 普通的读写指令,内核不参与 → 最快
      │  代价:谁都可以随时读写 → 竞争条件 → 必须配同步(信号量)
      ▼
  数据传输流派:消息队列(mq_send/mq_receive 整块收发、按优先级)
      │  内核当邮差 → 自带互斥、自带阻塞唤醒 → 不会打起来
      │  代价:每次传递都进出内核 → 比共享内存慢
      ▼
  判据:传得频繁、量大、要极限性能 → 共享内存 + 信号量;
       要省心、消息有边界、要优先级 → 消息队列。

图说:两条路线的根本权衡是「快但要自己管秩序」vs「慢但秩序 内核管」。 另外每个设施都有两套 API:System V 版(1983 年 AT&T,接口老、通用但繁)和 POSIX 版(接口和文件 I/O 同构, 自洽好学)——本书教 POSIX,理由明说：更好设计¹。

三件套一句话版：消息队列=信箱(投递/取走,取走即销毁， 整封取出）;信号量=同步工具不是数据通道（一个不许为负的 整数，两个原子操作）;共享内存=一块大家都能映射的内存²。

2. 共享内存：五步法与一个铁律Copy Anchor Link

POSIX 的共享内存对象活在内存 tmpfs 里、名字出现在 /dev/shm/ (真能 ls、cat!)，但「打开」用的竟是个文件描述符—— API 和文件同构，这是 POSIX IPC 的设计口味³。创建者五步走⁴:

  ① shm_open("/名字", O_CREAT|O_EXCL|O_RDWR, 0600)  → fd(名字必须以 / 开头)
  ② ftruncate(fd, 字节数)        ← 新对象长 0,先量尺寸
  ③ mmap(NULL, 字节数, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0)
                                   ← 把物理页映射进地址空间,返回首地址
  ④ 用!*(char*)shmp + offset 读写
  ⑤ munmap → close → shm_unlink(名字);映射全撤了才真正销毁

加入者更省：shm_open 同名打开（不调 ftruncate)+ mmap 即用⁵。MAP_SHARED = 所有进程看到同一份更新； MAP_PRIVATE = 谁写内核给谁单独拷一份（做内存映射文件时的 copy-on-write 语义）⁶。

铁律：共享内存里不许放指针Copy Anchor Link

两个 demo 演示这条铁律的代价。demo1 用偏移(0x64、0xC8) 在固定位置写 "Hello"/"World",user 程序按同一偏移读——完美。 但注意各自打印的映射地址：0x7f75cd792000 vs 0x7fa439bb9000, 每次运行还都变（ASLR)——内核不保证两个进程把共享区映射到 同一个虚拟地址⁷。

demo2 故意违反铁律：往共享结构里塞了两个指针(ptr1 存 malloc 堆地址、ptr2 存结构内数组的地址）,user 程序一解引用 直接段错误——ptr1 指向的是对方进程的堆（在这边是无效地址）, ptr2 存的是对方地址空间里的地址⁸。原书加框总结：

共享内存里一律用偏移量（整数），不用地址。要指向区内的 数据就存「从区首到数据的字节数」，用的时候 (char*)shmp + offset 现算。

3. 竞争条件：为什么需要信号量Copy Anchor Link

共享内存里放 counter,counter = counter + 1 看着是一条 C 语句，编译出来是三条机器指令（取到寄存器 → 加一 → 存回）。 两个进程交错执行，从 5 出发各加一次，可能得到 6⁹:

  t0: P1 取 counter → 寄存器1=5
  t1: P1 加一       → 寄存器1=6
  t2: P2 取 counter → 寄存器2=5     ← P1 还没存回!
  t3: P2 加一       → 寄存器2=6
  t4: P1 存回       → counter=6
  t5: P2 存回       → counter=6     ← 丢了 7

同步方法的任务：保证「读-改-写」整段不可分。信号量 (Dijkstra 1963 年发明，源自荷兰语 probeer/increase—— P/V 操作）就是一个不许为负的整数 + 两个原子操作¹⁰:

• sem_wait():S>0 就减一并通过；S==0 就阻塞排队；
• sem_post():加一；若有进程在排队就唤醒一个。

初值 1 = 二元信号量（互斥锁）：只有一人能过，过了就把临界区 独占，出来 post 放人。初值 N = 计数信号量:N 人可同时过， 管「池子里还有几个资源」¹¹。

主线例子：unnamedsem_demo——一个数从 1 改成 2，天塌了Copy Anchor Link

程序：共享内存里放 { sem_t sem; size_t count; },父子各循环 1,000,000 次——子 count++、父 count--，每次前后夹 sem_wait/sem_post。信号量初值 1 时：

$ ./unnamedsem_demo
The final value of count, which should be 0, is 0.    ← 永远正确

把初值改成 2 再跑：

The final value of count, which should be 0, is -169841.
The final value of count, which should be 0, is 17422.   ← 每次错得不一样

图说：初值 2 = 两个人同时进临界区 = 信号量形同虚设，竞争 条件回来了——错值的随机性正是「谁撞上交错」的指纹。 无名 信号量要跨进程用，sem_init(&sem, 1, 初值) 的第二个参数 pshared 必须是 1，且信号量本身得放在共享内存里¹²。

命名信号量（sem_open，同 shm_open 的命名规则）只在一个场景 真有用：不相干、又没有共享内存的进程要同步（如协作访问 共享文件）——否则无名版够用¹³。namedsem_demo 用它治 父子 fprintf 交错：初值 1 时 grep -c 'ba|ab' = 0（行不混）, 改 2 后 = 993（几乎行行混）¹⁴。

System V 信号量：为什么没人爱Copy Anchor Link

System V 版没有现成的 wait/post——操作的是信号量集合、 增减量可以 >1、创建和初始化分两步（两步之间就有竞争！), 还得先学 IPC key 的生成。功能更通用，复杂度翻倍,POSIX 版 是「简单且自洽」的替代¹⁵。

4. 三信号量方案：生产者-消费者的完整解Copy Anchor Link

问题：共享环形缓冲区，生产者往 rear 写、消费者从 front 读， 不能覆盖没读的、不能读没写的，还不能忙等（不能 while 轮询 计数器——白烧 CPU)。解 = 三个信号量¹⁶:

  typedef struct {
      sem_t filledbuf_count;   /* 已填槽数,初值 0 ——「有货吗」 */
      sem_t emptybuf_count;    /* 空槽数,初值 BUF_SIZE ——「有空位吗」 */
      sem_t mutex;             /* 二元,初值 1 —— 保护缓冲区本体 */
      int front, rear;
      int buf[BUF_SIZE];
  } sharedbuf;

  生产者 add_next():
      WAIT(emptybuf_count);   ← 没空位就睡着,消费者 post 唤醒
      WAIT(mutex);            ← 独占缓冲区
      buf[rear] = data; rear = (rear+1) % BUF_SIZE;
      POST(mutex);
      POST(filledbuf_count);  ← 通知消费者:多了一件货

  消费者 get_next(): 完全镜像(先 filled,后 mutex,结尾 post empty)

图说:mutex 管「别同时碰数组」,filled/empty 管「有没有货/ 有没有位」——计数信号量把「忙等轮询」变成了「睡-醒」,这是 信号量设计里最漂亮的一笔。 消费者创建共享区+三信号量并常 驻，生产者从 stdin 读数写入；seq 1 10000 | shm_producer + 重定向的 consumer,wc 验货恰 10,000 行¹⁷。

5. POSIX 消息队列：带优先级的信箱Copy Anchor Link

和管道（第 13 章）的本质区别¹⁸:

1. 整块收发:N 字节的消息取走时必取整封，不能只取 M<N;
2. 按优先级出队(0..MQ_PRIO_MAX-1)：最高优先级先出， 同级先来的先出——不是 FIFO，是优先队列；
3. 描述符/打开描述对，与文件 fd/OFD 同构（第 4 章那张表换个 词就是它的结构）。

API:mq_open（同 shm_open 风格）、mq_send(des, ptr, len, prio)、mq_receive(...,&prio)（缓冲区 ≥ mq_msgsize)、 mq_getattr/mq_setattr（只能改 mq_maxmsg/mq_msgsize)、 mq_notify(sigevent 异步通知——队列来消息时给进程发信号， handler 里再 mq_receive，不用死等）、mq_close/mq_unlink (内核持久:不 unlink 重启前都在）¹⁹。

演示：发送方把字符串长度当优先级(mq_send(..., length)), 接收方先睡 20 秒让队列堆满，再逐个取——输出严格按长度从大到小， 优先级机制一目了然²⁰。

6. 作者的判断与证据Copy Anchor Link

有明证的:

• 两类方法的内核参与差异、共享内存的速度优势，是机制层面 的事实¹。
• 指针陷阱的两个 demo（地址打印 0x7f75... vs 0x7fa4...;demo2 段错误）可复现，铁律总结在边框里⁷⁸。
• 竞争条件的指令交错时序（t0–t5）与 counter 5→6 是教科书 级推演⁹。
• 信号量初值 1 vs 2 的对照运行（0 vs -169841）¹²。

作者的判断:

• 「教 POSIX 不教 System V,System V 信号量只给对比」—— 明说空间不够、POSIX 更易学¹¹⁵。
• 「命名信号量用处不多，共享文件该用文件锁」——点到为止的 工程判断（文件锁本书不展开）¹³。
• 生产者-消费者用「整数而非字符串」简化——教学纯度优先， 数据细节不干扰结构¹⁷。

7. 边界与局限Copy Anchor Link

• System V IPC 只给了导览(shmget/semget/msgget 一套没教);
• 文件锁(fcntl 记录锁）多次提到但不展开，治「多进程写同一 文件」的官方手段缺席¹³;
• mq_notify 只讲了机制，信号 handler 里收消息的完整程序留给 读者¹⁹;
• 共享内存的同步原语选择不止信号量——mutex(第 16 章线程 里讲）放共享内存也能用，本书选信号量因为「进程间」语境更顺；
• 消息队列的内核持久既是特性也是坑：崩掉的程序留下的队列 要手动清理¹⁹。

8. 可带走的Copy Anchor Link

主线例子,一行复述: 共享内存里父子各 100 万次 count±， 信号量初值 1 → 恒 0；初值 2 → 随机错(-169841/17422)—— 同步工具的值由初值决定，形同虚设比不用更糟。

1. IPC 两大流派:共享内存(快、同步归你)vs 数据传输(内核管 秩序、慢);POSIX API 与文件 I/O 同构，比 System V 好学好用。
2. 共享内存五步法:shm_open → ftruncate → mmap(MAP_SHARED) → 用 → munmap/close/shm_unlink;对象真身活在 /dev/shm。
3. 共享内存里禁止指针，只许偏移!——各进程映射地址不同且 随机(ASLR),存进去的地址到那边是无效地址。
4. counter++ 是三条机器指令，交错执行就丢更新——竞争条件 的微观面目。
5. 信号量 = 非负整数 + 原子 wait(减,0 则睡)/post(加,唤 醒一个);初值 1 = 互斥，初值 N = N 个资源。
6. 无名信号量跨进程:sem_init(pshared=1) 且信号量在共享内存 里;-lpthread。
7. 三信号量生产者-消费者:filled(0)/empty(BUF_SIZE)/mutex(1) ——计数信号量把忙等变成睡-醒。
8. 消息队列:整块收发、按优先级出队、mq_notify 异步通知、 内核持久要 mq_unlink。

9. 原文地图Copy Anchor Link