POSIX IPC机制详解：消息队列、信号量与共享内存

在操作系统的多进程协作中，POSIX IPC（可移植操作系统接口进程间通信）提供了一套标准化的进程间通信机制，涵盖消息队列、信号量和共享内存三种核心方式。相较于传统的System V IPC，POSIX IPC具有更简洁的API设计和更高的跨平台兼容性。本文将深入解析这三种机制的系统调用及其实现细节。

一、消息队列（Message Queues）

消息队列是一种基于链表的异步通信机制，支持消息的优先级和非阻塞读写。

1. mq_open：创建或打开消息队列

#include <fcntl.h>
#include <mqueue.h>

mqd_t mq_open(const char *name, int oflag, mode_t mode, struct mq_attr *attr);

• 功能：创建或打开一个消息队列。
• 参数：
• name：队列名称，以/开头且不含其他/（如/my_queue）。
• oflag：标志位，常用组合：

◦ `O_RDONLY`：只读模式
◦ `O_WRONLY`：只写模式
◦ `O_RDWR`：读写模式
◦ `O_CREAT`：若不存在则创建
◦ `O_EXCL`：与`O_CREAT`联用，确保创建新队列
◦ `O_NONBLOCK`：非阻塞模式

• mode：权限位（如0666），控制队列的读/写权限。
• attr：指向mq_attr结构体的指针，定义队列属性：

struct mq_attr {
    long mq_flags;    // 标志（通常为0）
    long mq_maxmsg;   // 队列最大消息数
    long mq_msgsize;  // 单条消息最大长度
    long mq_curmsgs;  // 当前队列中的消息数（仅读）
};

• 返回值：成功返回消息队列描述符（mqd_t），失败返回-1。

2. mq_send / mq_receive：发送与接收消息

int mq_send(mqd_t mqdes, const char *msg_ptr, size_t msg_len, unsigned msg_prio);
int mq_receive(mqd_t mqdes, char *msg_ptr, size_t msg_len, unsigned *msg_prio);

• 功能：向队列发送或从队列接收消息。
• 参数：
• mqdes：消息队列描述符。
• msg_ptr：消息缓冲区指针。
• msg_len：消息长度（需≤mq_msgsize）。
• msg_prio：消息优先级（0最低，MQ_PRIO_MAX由系统定义）。
• 返回值：成功返回0（mq_send）或接收的字节数（mq_receive），失败返回-1。

3. mq_close / mq_unlink：关闭与删除队列

int mq_close(mqd_t mqdes);
int mq_unlink(const char *name);

• 功能：关闭队列描述符或删除队列实体。
• 参数：
• mqdes：待关闭的描述符。
• name：待删除的队列名称。
• 返回值：成功返回0，失败返回-1。

二、信号量（Semaphores）

信号量用于进程间的同步控制，支持二进制和计数两种类型。

1. sem_open：创建或打开命名信号量

#include <semaphore.h>

sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, mode_t mode, unsigned int value);

• 功能：创建或打开一个命名信号量。
• 参数：
• name：信号量名称（格式同消息队列）。
• oflag：标志位（O_CREAT、O_EXCL等）。
• mode：权限位（如0666）。
• value：信号量初始值。
• 返回值：成功返回信号量指针，失败返回SEM_FAILED。

2. sem_init / sem_destroy：初始化与销毁匿名信号量

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
int sem_destroy(sem_t *sem);

• 功能：初始化或销毁匿名信号量（仅限线程或进程内使用）。
• 参数：
• sem：信号量指针。
• pshared：共享标志（0表示线程间，非0表示进程间）。
• value：初始值。
• 返回值：成功返回0，失败返回-1。

3. sem_wait / sem_post：P/V操作

int sem_wait(sem_t *sem);     // P操作（阻塞直到信号量>0）
int sem_trywait(sem_t *sem);  // 非阻塞P操作
int sem_post(sem_t *sem);     // V操作（信号量+1）

• 功能：执行信号量的增减操作。
• 参数：sem：信号量指针。
• 返回值：成功返回0，失败返回-1。

三、共享内存（Shared Memory）

共享内存允许进程直接访问同一块物理内存，是IPC中最高效的方式。

1. shm_open：创建或打开共享内存对象

#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>

int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode);

• 功能：创建或打开共享内存对象。
• 参数：
• name：对象名称（格式同消息队列）。
• oflag：标志位（O_CREAT、O_RDWR等）。
• mode：权限位（如0666）。
• 返回值：成功返回文件描述符，失败返回-1。

2. ftruncate：调整共享内存大小

int ftruncate(int fd, off_t length);

• 功能：设置共享内存对象的长度。
• 参数：
• fd：共享内存文件描述符。
• length：目标长度（字节）。
• 返回值：成功返回0，失败返回-1。

3. mmap / munmap：映射与解除映射

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
int munmap(void *addr, size_t length);

• 功能：将共享内存映射到进程地址空间或解除映射。
• 参数：
• addr：映射起始地址（通常设为NULL由系统选择）。
• length：映射长度。
• prot：保护模式：

◦ `PROT_READ`：可读
◦ `PROT_WRITE`：可写
◦ `PROT_EXEC`：可执行
◦ `PROT_NONE`：不可访问

• flags：映射标志：

◦ `MAP_SHARED`：多进程共享
◦ `MAP_PRIVATE`：私有映射（写时复制）

• fd：共享内存文件描述符。
• offset：文件偏移量（通常为0）。
• 返回值：成功返回映射地址指针（mmap）或0（munmap），失败返回MAP_FAILED或-1。

4. shm_unlink：删除共享内存对象

int shm_unlink(const char *name);

• 功能：删除共享内存对象。
• 参数：name：对象名称。
• 返回值：成功返回0，失败返回-1。

总结

POSIX IPC通过标准化的API设计，为进程间通信提供了高效、可靠的解决方案。消息队列适用于异步任务分发，信号量用于资源同步，共享内存则适合高频数据交换。开发时应根据场景需求选择合适机制，并注意资源释放与同步问题。