但是当我们去访问这个返回的地址时，却发现报错了，没有权限，这是为什么呢？在挂接的时候明明传了0，默认不就是可读可写的吗？其实不是因为这里的权限设置，而是我们在申请这块共享内存的时候，没有为共享内存设置初始权限，所以默认就是不可读写的，我们可以看一下struct shm_ds中的一个字段，struct  ipc_perm

其中就有关于权限的属性，那么如何设置呢？当然要在申请内存的时候就通过选项来设置，我们只需要在原来的选项上在  | mode（自己决定权限，需要八进制数字） 。

同时由于我们上一次运行程序权限被拒绝导致进程退出了，我们需要在命令来进行资源释放

挂接完成之后，我们就差最后一个函数，去关联。 虽然我们可以在不去关联的情况下直接进行资源的释放，但是这样过于粗暴，最好还是完成去关联这一步，去关联的作用就是修改页表，将共享内存从我们的页表中删除，回收虚拟空间 。但是他不会去释放物理内存中的共享内存，只是将映射关系切断了，所以我们不要以为有了这个接口就不需要在写释放资源的接口了。

去关联的接口和返回值都很简单

shmdt

跟free一样，我们只需要传要去关联的共享内存的起始地址就行了，也就是我们使用shmat得到的那个地址。

同时它的返回值也很简单，成功就返回0，失败就返回-1 

我们直接用下面这段最简单的通信的代码来做一下测试

这段代码中，写端每隔一秒写一次，写完十次之后就退出并且释放共享内存，而读端也是隔一秒就读取一次，但是没有设定多少秒之后就停止，我们来看一下结果

我们发现了两个问题，一个就是写端只写了十次，但是读端却一直在读取打印，第二个就是，我们的sever明明已经正常退出了，也就是说共享内存已经被释放了，为什么读端还能读取？

对于第一个问题，其实很简单,共享内存不像其他的通信方式，比如管道，必须要写端写入了东西才能读取，他只会沉浸在自己的读取自己虚拟地址空间中的那块内存的数据，并不会关心写端在干什么 。同时对于写端而言，他也只需要将数据写到指定的虚拟地址，然后通过页表映射到共享内存中，他也无法得知读端的行为。

而第二个问题也很简单，虽然我们的sever进程确实调用了 shmctl 进行释放共享内存，他的返回值也确实是 0 ，但是由于这块共享内存还有进程client正在使用（还被进程所挂接），这时候操作系统并不会立马释放共享内存，而是在挂接他的进程数为0时再通知操作系统进行释放，我们可以看一下当sever退出，client还在继续读取共享内存数据时，我们的共享内存资源到底有没有被释放

当我们的 client 被终止之后，资源才被释放。

同时这时候，我们也发现了共享内存的一个问题，就是没有同步机制，通信双方并不是只有写端写入之后读端才能读，而是想读就读，想写就写，没有一写一读同步进行。

看完我们的示例代码以及我们学习的理论，总结一下共享内存的特点

优点

共享内存的方案是所有进程间通信中速度最快的，因为内存是双方所共享的，只要发送方把数据写到共享内存，接收方就能立马看到，因为本质上发送方和接受方看到的就是同一块内存，这样做能够大大减少数据的拷贝次数。 

减少拷贝次数体现在哪里呢？

我们拿管道通信通信来对比，假设都是从键盘读入，然后写端发送，读端读取，并且打印到显示器上，我们可以来算一下管道和共享内存的通信方式各自需要几次拷贝。

首先是管道通信，我们首先需要将输入缓冲区的数据拷贝到我们自己的缓冲区（数组）中来，这是第一次拷贝，然后需要将数据写入管道，这是第二次拷贝，而读端首先需要从管道中将数据读到自己的缓冲区，这是第三次拷贝，最后将数据写入到输出缓冲区中，这是第四此拷贝，所以管道在这个过程中需要四次数据的拷贝。 当然，我们这里不考虑从键盘的内核缓冲区拷贝到语言的输入缓冲区，以及从语言的输出缓冲区拷贝到显示器的内核缓冲区，这两次无法避免，不计入次数。

而对于共享内存而言，从输入缓冲区经过一次拷贝，写到共享内存中，然后读端从共享内存经过一次拷贝写入到输出缓冲区中，整个过程只需要两次拷贝。

缺点

我们使用共享内存时会发现一个问题，就是加入读取的速度比写入的速度快，那么在新数据写入之前，这段时间读取到的数据都是之前已经读取过的陈旧的数据。而对于管道而言，每次读完一些数据之后，下一次读取就算没有新的数据写入，也不会去读取那些陈旧的数据，而是阻塞在read上。同时，共享内存的写端也没有限制，因为每次都是覆盖式的写在共享内存中，就算没有读端了，也不会主动停下来，这是一种浪费资源的行为。

同时，共享内存是没有给我们作同步和互斥的机制的，比如可能写端的数据还没写完，就被读端读走了，这种情况是有可能发生的，这时候数据就不完整，没有被保护起来。

那么我们怎么才能避免这种事情发生呢？

最简单的办法就是通信双方约定将头部的一个字节或者几个字节作为一种标志位，写端写入时，把标志位置为1，而读端每次都是先读标记位的数据，如果标记位为1，就说明是新的数据，那么读取所有数据，之后把标记为置为 0 ，代表本轮数据已经陈旧。

但是这种方法还是有点掩耳盗铃的感觉，不管怎么说，读端都是一直在读，只不过是读头几个字节还是全部读的区别，还是有效率的损失。

还有一种方法就是通信双方建立一条管道，用来发送通知，每次读端在读取共享内存之前，要进行一次管道的读取，而每次写端在写入数据之后，要往管道中也写入一个标志位， 这样一来，如果写端没有新写入的数据，那么读端就阻塞在了管道的读取上。 

同样的，我们还可以再创建一个管道，用于读端给写端发送读取完成的标志，这样一来双方就不会出现没有读完进行写入或者没有写完就进行读取的操作了。

最后，我们再看一下共享内存的内核数据结构，我们前面说了可以使用 shmctl 来获取共享内存的属性，也就是一个结构体对象 shmid_ds，

这个结构体对象是操作系统主动暴露给用户的一部分用户级数据，注意这只是操作系统对共享内存进行管理的数据结构的一部分，操作系统不可能将该共享内存的所有的数据结构都给你放开，尤其是用于管理的字段，他给我们放开的只是属性字段，属性字段只是操作系统管理共享内存的数据结构的一个子集。

shmid_ds的每个字段的含义如下

我们能发现，key字段并不是直接存储在 shmid_ds表面的，而是存在它的第一个字段也就是        ipc_perm结构体中。而ipc_perm的第一个字段就是 key ，所以在内存上来看， key 就是整个shmdi_ds的第一个字段。

最后，共享内存的大小我们建议是 4kb的整数倍，因为系统分配共享内存是以 4kb 为单位的，划分内存块的就基本单位是 4 kb 。

但是就算你申请的是 4097 个字节，操作系统虽然会给你分配 8kb ，这8kb中，你也只有你所申请的4097个字节的使用权，我们要分清楚两个概念就是 内核分配给你的空间和你能使用的空间，这是两个不同的概念。

4 消息队列和信号量

这两个在这一篇文章中我们不做重点讲解，消息队列目前来说很少见，而信号量这种方式我们在后面的多线程才会用的稍微多一些。

4.1 消息队列

消息队列提供了从一个进程向另一个进程发送一个数据块的方法。

每个数据块都被认为是一个类型，接收者进程接受的数据块可以有不同的类型。

这些数据快的类型是自定义的，是用来标识该数据块是哪一方发送的或者是要发给谁的，这需要通信双方约定好。因为消息队列是通信双方都可以读写的，通信双方的进程用的是同一个队列，发送数据就在队列尾部进行插入，接收数据从头部识别类型然后读取，我们可以理解为一个链式的结构。

消息队列是系统提供的一个内核级数据结构。

创建消息队列的接口：

msgget

看到这个就接口是否有些熟悉，熟悉的 key 和熟悉的 flag ，由于消息队列是不需要实现指定大小，动态增长，所以就没有了size参数。返回值就是一个msqid

控制消息队列的接口

msgctl

这个接口和 shmctl 还是十分相似，因为他们都是遵守 system V标准的通信方式，在这些接口等方面都要遵守一定的规则。 我们也发现 msqid_ds 的数据结构对象的布局和shmid_ds的布局也是一样的，msqid_ds的第一个字段也是ipc_perm ，而ipc_perm的第一个字段也是key。

往消息队列中放数据

msgsnd

我们说消息队列的数据是一个数据块，而在这个数据块也是有要求的，首先他的第一个字段必须是数据块的类型，类型是由程序员自己决定的。而除了类型之外就是你要发送的数据了，用一个数组来存放数据

从消息队列中读取数据块

msgrcv

他相比发送数据的接口多了一个参数，标识要读取的数据块的类型，同时他还需要穿一个输出型参数。

消息队列的发送和接受的数据块都必须是指定格式的结构体。

消息队列的属性的数据结构 msqid_ds 的每个字段的含义也可以参考共享内存来类比。

同时命令行中查看消息队列资源用 ipcs -q   ，要删除消息队列资源用 ipcrm -q msqid

4.2 信号量

在这里我们主要讲一些信号及其周边的一些概念，不侧重于他的使用，使用放在后续的多线程。

信号量是什么？ 我们好像还没有接触过这样的或者类似的概念，

信号量的本质就是一个计数器，用来衡量可用资源数量的多少的问题

那么这个信号量能不能用一个程序中的全局变量来标识呢？当然不能，一个进程的全局变量归根结底是属于该进程自身的，而不能被其他的进程所访问到，而信号量既然要用来表示公共资源的多少，那么肯定是要被多个进程所共享的。

在讲解信号量之前，我们先来接触几个概念：

公共资源：可以被多个进程同时访问的资源，我们前面所学的用于进程间通信的资源都是公共资源。

而访问没有被保护的公共资源，比如我们上面的共享内存，在写方还没有完全写完的时候，读方就开始进行读取，这时候会出现数据不一致的问题。

而被保护起来的公共资源被称为临界资源。

在我们的进程中，大部分资源是独立的，比如进程的堆栈等空间，而公共资源则基本上都是为了和其他进程进行通信而申请的亦或是动态库这样的资源。而我们对临界资源进行操作的那部分代码被称为临界区，其他的大部分都是不访问临界资源的代码，被称为非临界区。

如何保护公共资源？同步与互斥。 同步我们暂时先不讲，互斥很好理解，就是同一时刻，这份公共资源只能被一个进程访问，其他要访问的进程只能等他访问完才能开始访问。互斥一般要通过加锁来实现。

在计算机科学中，我们把只有两态的情况称为原子性，用来标识一组操作要么不做，要么就直接做完，不允许只完成部分操作。比如我们向共享资源中写数据，要么就是不写，要写的话就是直接全部写进去

那么上面的这些概念和信号量有什么关系呢？

前面说了，信号量就是一个用来表示剩余公共资源数量的计数器。对于我们申请下来的公共资源，我们有两种方式来进行使用 ：1 作为一个整体被所有共享的进程一起使用   2 将申请下来的大块资源分成一份一份的子资源，参与共享的进程只能访问这个资源中的一部分或者或子资源，不同进程访问的区域不同。 

将公共资源划分为不同的子资源的情况下，进程要访问公共资源是需要先申请信号量的。就好比我们现实生活中，电影院就好比一个公共资源，而影院中的每个座位就是其中的子资源，当我们想要去看一场电影时，我们首先需要购买一张电影票，而电影票的内容有电影的时间以及你所申请的座位号，在这场电影期间，该座位号就是属于我们的，不管我们实际上有没有去看这场电影。而我们的进程要访问公共资源，是需要先申请信号量的，申请下来之后，计数器就会自减，进程就相当于预定了其中的一份小资源，就可以访问这份资源，同时进程是没有权限去访问她所预定的这份小资源以外的其他资源的。 而如果申请失败，比如说计数器为0，表示目前所有的资源都正在被占用，这时候进程就无法申请到信号量，也就无法访问到资源，这是一种对正在访问公共资源的进程的一种保护也是对公共资源本身的一种保护。我们就把这种用来保护临界资源的计数器叫做信号量。

按照上面的逻辑，我们可以为申请下来的公共资源设定一个信号量。进程要访问资源就需要先申请信号量，申请成功信号量计数器会减减，信号量的减减就是在预定资源。 而当一个进程访问完公共资源了，这时候信号量就会加加，加加就叫做释放资源，这里的释放不是说释放这块公共资源，而是意味着该资源可以被其他进程申请了。 那么是不是每一个进程要申请资源的时候都需要先访问信号量？不访问信号量怎么知道他的计数器是否为0，能否申请下来资源? 而访问信号量的前提就是所有参与共享的进程必须能够看到同一个信号量，那么信号量自身也就是一份公共资源了。而信号量也需要保证自身的安全，他的安全主要要保证进程对其进行操作的安全性，比如他的加加和减减操作，他的加加和减减操作就必须是原子性的。 

我们把信号量的减减操作叫做申请资源，称为P操作。把信号量的加加叫做释放资源，称为V操作。信号量必须支持PV操作。

而如果我们把信号量的初始值设为1呢？就是将资源以整体来访问，同时由于访问之前必须要申请信号量，这就注定了它同一时刻只能被一个进程所访问，这也就是一种互斥。同时我们把这种提供互斥功能也就是只有两种状态的信号量称为二元信号量。

既然申请下来信号量就能够访问其中的一块子资源，那么会不会出现多个进程想要访问同一块子资源的情况呢？这种情况是肯定会有的，因为我们的信号量申请成功只能代表这块公共资源种还有子资源是空闲的，能够被访问，但是没有规定申请成功的进程必须只能访问某一块资源，所以这种情况是可能会发生的。但是还是那句话，信号量申请下来只能代表还有资源能够被访问，但也不是说进程想访问哪一份就访问哪一份的，具体能够访问那一块资源在多进程当中要通过某种方式去区分，这份工作是要有程序员自己完成的，由程序员的代码来确定每个进程应该访问哪一份资源，所以我们也不用担心。

那么如何使用信号量呢？

首先我们要申请一块公共资源，如何申请一份信号量的公共资源呢？

semget

他的参数的key和flag没什么好讲的，第二个参数 nsems 表示要申请的信号量资源的个数。没错，system  V 版本的信号量在底层是允许申请多个信号量的，这里的信号量的个数不是指信号量的值，信号量的值就是计数器的数值，而信号量的个数则代表申请的公共资源的个数，每一份公共资源都由一个信号量来控制其中子资源的访问。如果申请成功，semget会返回一个信号量集合的标识符。

控制信号的接口：

semctl

其中，semnum表示的是我们要操作的信号量的下标。我们使用semget申请信号量返回的的信号量集合，信号量可能不止一个，所以需要一个下标来表示要操作哪一个信号量。

保存信号量的属性的数据结构和共享内存以及消息队列还是类型，第一个字段还是一个ipc_perm结构体，而ipc_perm中第一个字段还是key 。system V系列的这些资源的结构体都是这样的设计方式。

信号量的PV操作

semop

sembuf结构体中有三个字段，第一个sem_num表示要操作的信号量的下标，第二个sem_op表示操作的类型，一般是-1对应P操作，1对应V操作。，sem_flg表示进行操作的选项。

第三个参数 nsops第二个参数传sembuf的结构体的个数，我们看到第二个参数用的是指针传参，有可能是传一个结构体数组来对多个信号量进行操作。

system V 标准的通信方式的共性

首先这三种通新方式的接口的相似度就非常高，毕竟是同一个标准，在接口的设置，数据结构的设置等都需要遵循一定的规范。那么第二个相似的自然就是他们的内核数据结构，也就是我们能获取的 struct ..._ds这个数据结构。这个内核数据结构只是操作系统管理申请下来的公共资源的数据结构的一个子集，也就是其中一部分，里面的这些数据都是操作系统放开给我们看的，同时还有一些其他的属性肯定是不对用户开放的。

我们能发现的最明显的就是，这三个数据结构的第一个字段都是 ipc_perm结构体，这样设置有什么好处吗？ 

操作系统能够在内核中维护一个 struct ipc_perm*  类型的指针数组，来管理这三种通信方式所申请下来的公共资源，指向他们的数据结构的第一个字段，只需要有这个字段的地址，操作系统就能看到整个 _ds 结构体，因为该字段是 _ds结构体的第一个字段，他们的地址在数值上是相等的，当我们想要用这个数组存的指针取查看对应资源的属性时，只需要把该指针强转成对应的 struct semid_ds*或者struct shmid_ds*就能看到震哥哥_ds结构体了，这样做减少了操作系统管理这些资源的成本。但是操作系统是怎么知道每一个ipc_perm指针所指向的对象是 struct semid_ds还是struct_shmid_ds还是struct msqid_ds的结构体的，这也很简单，我们并不一定就是简单的存储一个指针，可能还存储一个变量用来表示 type ，这两个变量放在一个结构体中有操作系统管理就行了。这样一来，操作系统拿到ipc_perm指针，查看他的type就能知道它所指向的对象是什么类型的，这就有点像我们C++的多态，保存的是一个基类的指针，可以根据派生类的不同完成不同的行为。