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1.共享内存
1.1.共享内存的概念
为什么共享内存可以同管道一样作用与进程间的通信？本质上都是让进程可以看到同一份资源，可以是内核级的内存也可以是命名管道的文件。
System V 共享内存：
System V 共享内存允许不同的进程访问同一块物理内存区域，进程可以直接在这块内存中读写数据，而不需要进行繁琐的数据复制操作，这使得数据的传输速度非常快。
操作系统为了对共享内存进行管理，会先描述为 struct shmid_ds 结构体，再用数据结构组织起来，其中会存在引用计数（nattach）来代表共享内存被多少进程使用，后续会进一步讲解 struct shmid_ds 结构体。
共享内存数据结构：
struct shmid_ds {
struct ipc_perm shm_perm; /* Ownership and permissions */
size_t shm_segsz; /* Size of segment (bytes) */
time_t shm_atime; /* Last attach time */
time_t shm_dtime; /* Last detach time */
time_t shm_ctime; /* Last change time */
pid_t shm_cpid; /* PID of creator */
pid_t shm_lpid; /* PID of last shmat(2)/shmdt(2) */
shmatt_t shm_nattch; /* No. of current attaches */
...
};struct ipc_perm {
key_t __key; /* Key supplied to shmget(2) */
uid_t uid; /* Effective UID of owner */
gid_t gid; /* Effective GID of owner */
uid_t cuid; /* Effective UID of creator */
gid_t cgid; /* Effective GID of creator */
unsigned short mode; /* Permissions + SHM_DEST and
SHM_LOCKED flags */
unsigned short __seq; /* Sequence number */
};为什么需要共享内存：
进程间通过共享内存通信时，先由操作系统分配一块可共享的物理内存区域，映射到各进程的虚拟地址空间。进程直接读写该区域，无需数据拷贝，配合互斥锁等同步机制避免冲突，实现高效数据交换，尤其适合大容量、高频通信场景。
1.2共享内存使用指令
查看共享内存：
ipcs -m + shmid（共享内存编号）
删除共享内存：
ipcrm -q + shmid1.3共享内存相关函数
shmget：
获取一个共享内存：shmget() 函数返回与参数 key 关联的 System V 共享内存段的标识符，而key是一个数字，key的值不重要，它在内核中具有唯一性，能够让不同的进程进行唯一性标识；
第一个进程可以通过key创建共享内存，第二个之后的进程只需要拿着同一个key就可以和第一个进程看到同一个共享内存；对于一个已经创建好的共享内存，key储存在共享内存的structXXX结构体中；
而size是你要创建共享内存的大小，单位字节，shmflg是创建模式：
IPC_CREAT：不存在就创建，存在就返回，若未指定该标志，shmget() 仅查找与 key 关联的段，并检查用户是否有访问权限。
IPC_CREAT | IPC_EXCL：不存在就创建，存在就出错返回，需与 IPC_CREAT 结合使用的目的：确保当段已存在时操作失败，即确保此共享内存始终只有一份！
IPC_CREAT | IPC_EXCL | MODE：还可以设置创建文件权限，一般设为0666。
如何来创建key？
ftok：
获取一个key：这里的 pathname 和 proj_id 可以是任意设定，如果创建key失败，那么更改一下即可，实质上是一套算法，对pathname和proj_id进行了数值计算
shmat&shmdt：
shmat链接共享内存：
shmid：共享内存段的标识符（由 shmget() 返回）。
shmaddr：指定附加地址（通常设为 NULL，由系统自动分配）。
shmflg：标志位，常用值：SHM_RDONLY：以只读方式附加；或 0：以读写方式附加。
返回值：成功时，shmat () 函数返回附加的共享内存段的地址；失败时，返回 (void *) -1，并设置 errno 以指示错误原因。
shmdt用来去关联共享内存：直接传入shmat返回的地址即可与共享内存去关联。
shmctl：
用来控制共享内存：
shmid：共享内存段的标识符。
cmd：命令类型，常用值：
- IPC_STAT：获取共享内存段的状态信息，存入 buf。
- IPC_SET：设置共享内存段的属性（如权限）。
- IPC_RMID：标记共享内存段为待删除状态（实际删除需所有进程分离后）。
buf：指向 struct shmid_ds 的指针，用于存储或设置共享内存段的信息。（一般设为nullptr）
1.4共享内存优缺点
优点：
速度快：避免了数据的多次复制，数据传输效率高。
使用方便：进程可以像操作普通内存一样操作共享内存。
缺点:
同步问题：由于多个进程可以同时访问共享内存，可能会出现数据竞争的问题。比如，一个进程正在写入数据，另一个进程同时读取数据，可能会导致数据不一致。这就需要使用其他的同步机制，如信号量，来保证数据的一致性。
管理复杂：需要手动管理共享内存的创建、连接、分离和删除，容易出现内存泄漏等问题。
1.5共享内存使用注意
①共享内存属于内核，进程终止它仍旧存在，这就是说 共享内存内部的数据，由用户自己维护！需要手动创建、链接、去关联、控制及释放；
②shmid是用户级的，key是内核级的，所以用户只需对shmid进行相关函数操作，无需考虑内核中的key；
③如果是进程异常退出导致的共享内存没有删除，共享内存的状态仍会设为dest，（待删除状态）【表示这块内存不能再被使用了】。
2.消息队列
2.1消息队列的概念
消息队列通过内核维护一个有序的数据缓冲区（队列），实现进程间的异步通信。即在内核中创建一个队列，发送方将消息放入队列，接收方从队列中取出消息处理，所有的消息队列先描述为 msqid_ds 结构体再组织起来。
进程可向队列中添加消息（如结构化数据），也可从队列中读取消息，消息按发送顺序存储和处理。无需接收方实时等待，发送方发送后即可继续执行，适合非实时、松耦合的通信场景，常见于分布式系统、异步任务处理等。
消息队列数据结构：
struct msqid_ds {
struct ipc_perm msg_perm; /* Ownership and permissions */
time_t msg_stime; /* Time of last msgsnd(2) */
time_t msg_rtime; /* Time of last msgrcv(2) */
time_t msg_ctime; /* Time of last change */
unsigned long __msg_cbytes; /* Current number of bytes in
queue (nonstandard) */
msgqnum_t msg_qnum; /* Current number of messages
in queue */
msglen_t msg_qbytes; /* Maximum number of bytes
allowed in queue */
pid_t msg_lspid; /* PID of last msgsnd(2) */
pid_t msg_lrpid; /* PID of last msgrcv(2) */
}; struct ipc_perm {
key_t __key; /* Key supplied to msgget(2) */
uid_t uid; /* Effective UID of owner */
gid_t gid; /* Effective GID of owner */
uid_t cuid; /* Effective UID of creator */
gid_t cgid; /* Effective GID of creator */
unsigned short mode; /* Permissions */
unsigned short __seq; /* Sequence number */
};2.2消息队列使用指令
查看消息队列：
ipcs -q + msqid（共享内存编号）
删除消息队列：
ipcrm -q + msqid2.3消息队列相关函数
msgget：
创建消息队列：key与共享内存一样，由ftok生成（具体方式参考共享内存中ftok的使用）
msgflg：使用与共享内存高度相似：
| msgflg取值 | 描述 |
|---|---|
| IPC_CRAET | 创建共享内存时，如果共享内存已经已经存在，获取已经存在的共享内存；不存在则创建并返回 |
| IPC_EXCL | 需要与IPC_CREAT组合使用，单独使用没有意义。如果带创建的共享内存存在，则出错返回；如果不存在，则创建并返回对应的共享内存 |
msgsnd&msgrcv： 
msgsnd发送消息:其中，第二个参数需要传入一个形式如下所示的结构体，这个结构体需要用户自己定义：
The msgp argument is a pointer to caller-defined structure of the following general form:
struct msgbuf {
long mtype; /* message type, must be > 0 */
char mtext[1]; /* message data */
};
上述中的mtext表示要发送的数据，因而mtext的数组大小由用户自己指定；而mtype用于标识数据，例如：A进程只读取mtype为1的数据，B进程只读取mtype为2的数据，即mtype标识这个数据要发送给哪些进程。
msqid：消息队列的标识符（由 msgget() 返回）。
msgflg：标志位，常用值：IPC_NOWAIT：如果队列已满，不会阻塞等待，而是会返回错误码EAGAIN（设置在errno中）；或 0：默认行为，阻塞等待消息队列，直到消息队列中有空间。
msgrcv读取消息:与上面一样，同样需要自定义一下 struct msgbuf 结构体；
msqid：消息队列的标识符（由 msgget() 返回）。
msgsz：用于接收数据的msgbuf中的mtext的大小，即接收缓冲区的大小。
msgflg：
| msgflg 取值 | 含义 |
|---|---|
| 0 | 默认行为，阻塞等待消息队列，直到消息队列中有满足需求的数据 |
| IPC_NOWAIT | 非阻塞等待消息队列，如果队列中没有对应需求的数据，则 errno 设置为 ENOMSG，并返回 |
| MSG_EXCEPT | 接收队列中 msgbuf 中的 mtype 不为 msgtyp 的数据 |
| MSG_NOERROR | 如果数据的长度长于接收方的 msgbuf 的 mtext 大小，则会发生截断，余下数据被丢弃 |
msgctl：
msqid：消息队列的标识符。
cmd：命令类型，常用值：
| cmd取值 | 含义 |
|---|---|
| IPC_STAT | 获取消息队列的状态 |
| IPC_SET | 设置消息队列的属性 |
| IPC_RMID | 从系统中移除消息队列 |
buf：指向 struct msqid_ds 的指针，用于存储或设置共享内存段的信息。（一般设为nullptr）
3.信号量
本篇信号量不是重点，简单了解即可，先引入问题：
对于共享内存来说，一个进程在写，一个进程在读，会引发数据不一致的问题，而管道因为原子写入是安全的，这时候需要加保护，也就是加锁——互斥访问，任何时候，只允许一个执行流访问共享资源，具有锁的资源——临界资源，而访问临界资源的代码——临界区。
信号量就类似于一个计数器，当进程要访问临界资源需要申请计数器，tips：
1）申请计数器成功，就代表该进程具有访问资源的权限了；计数器减一；
2）申请了计数器资源，并不代表正在访问，是对临界资源的一种预订机制；
3）计数器可以有效保证进入共享资源的执行流的数量；
4）每一个执行流像访问共享资源中的一部分的时候，不是直接访问，而是先申请计数器资源，如果申请成功，才能进行访问；
5）将1/0两态的计数器称为——锁，其实就是将临界资源当作整体看待，整体申请，整体释放；
6）信号量计数器也是共享资源，直接减一并不安全，自己的安全如何保证？通过原子性操作（使用CAS技术），完成申请——P操作，释放——V操作；
7）信号量与其他执行流互相协同，虽然不直接传输数据，但是属于进程间通信
简单介绍一下接口：
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
补充： IPC在内核中数据结构的设计：
不管是共享内存/消息队列/信号量，都是由XXXid_ds描述的，并且第一个成员都是 struct ipc_perm 类型，事实上，操作系统将 struct ipc_perm 用数组 struct ipc_perm* array[] 组织起来，长度固定，循环访问，下标对应 XXXid（shmid/msqid/semid），因为 struct ipc_perm 中保存着key，并且标志着 struct ipc_perm 属于哪种类型，以方便对 XXXid_ds 的成员进行访问。