15_ipc中的消息队列

消息队列

 消息队列提供了一个从一个进程向另外一个进程发送一块数据的方法
 每个数据块都被认为是有一个类型,接收者进程接收的数据块可以有不同的类型值
 消息队列也有管道一样的不足,就是每个消息的最大长度是有上限的(MSGMAX),每个消息队列的总的字节数是有上限的(MSGMNB),系统上消息队列的总数也有一个上限(MSGMNI)

对比:
管道:流管道 先进先出
消息:有边界可以后进入、先出来

消息大小三大限制
cat /proc/sys/kernel/msgmax 最大消息长度 限制
cat /proc/sys/kernel/msgmnb 消息队列总的字节数
cat /proc/sys/kernel/msgmni 消息条目数

IPC对象数据结构


	内核为每个IPC对象维护一个数据结构
struct ipc_perm {
	key_t          __key;       /* Key supplied to xxxget(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 */
};

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) */
};


消息队列在内核中的表示在这里插入图片描述

消息队列函数


	#include <sys/types.h>
	#include <sys/ipc.h>
	#include <sys/msg.h>
	int msgget(key_t key, int msgflg);
	int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
	int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
	ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);

msgget函数

 功能:用来创建和访问一个消息队列
 原型
 int msgget(key_t key, int msgflg);
 参数
 key: 某个消息队列的名字
 msgflg:由九个权限标志构成,它们的用法和创建文件时使用的mode模式标志是一样的
 返回值:成功返回一个非负整数,即该消息队列的标识码;失败返回-1

msgctl函数

 功能:消息队列的控制函数
 原型
 int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
 参数
 msqid: 由msgget函数返回的消息队列标识码
 cmd:是将要采取的动作,(有三个可取值)
 返回值:成功返回0,失败返回-1

cmd:将要采取的动作(有三个可取值),分别如下:
在这里插入图片描述

msgsnd函数

 功能:把一条消息添加到消息队列中
 原型
 int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
 参数
 msgid: 由msgget函数返回的消息队列标识码
 msgp:是一个指针,指针指向准备发送的消息,
 msgsz:是msgp指向的消息长度,这个长度不含保存消息类型的那个long int长整型
 msgflg:控制着当前消息队列满或到达系统上限时将要发生的事情
 返回值:成功返回0;失败返回-1
 msgflg=IPC_NOWAIT表示队列满不等待,返回EAGAIN错误。
 消息结构在两方面受到制约。首先,它必须小于系统规定的上限值;其次,它必须以一个long int长整数开始,接收者函数将利用这个长整数确定消息的类型
 消息结构参考形式如下:
struct msgbuf {
long mtype;
char mtext[100];
}

msgrcv函数

 功能:是从一个消息队列接收消息
 原型
 ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);
 参数
 msgid: 由msgget函数返回的消息队列标识码
 msgp:是一个指针,指针指向准备接收的消息,
 msgsz:是msgp指向的消息长度,这个长度不含保存消息类型的那个long int长整型
 msgtype:它可以实现接收优先级的简单形式
 msgflg:控制着队列中没有相应类型的消息可供接收时将要发生的事
 返回值:成功返回实际放到接收缓冲区里去的字符个数,失败返回-1

dm01_msgbase.c

//打开消息队列,若不存在,则报错
#if 0
int test()
{
	int msgid;
	// int msgget(key_t key, int msgflg);
	//msgflag如果只写权限,表示要打开文件,这个文件必须存在
	msgid = msgget(0x1234, 0666);//0表示8进制
	if (msgid == -1) 
	{
		if (errno == ENOENT) 
		{
			printf("自己检查错误, 消息队列不存在\n");
		}
		perror("msgget");
		return -1;
	}
	system("ipcs -q");
	return 0;
}
#endif
/*
	hzmct@U-64:/study/linuxtest/day06/ipc_queue$ ./dm01_msgbase
	自己检查错误, 消息队列不存在
	msgget: No such file or directory
*/
//打开消息队列,若存在,使用旧的,若不存在,则创建
#if 0
int test()
{
	int msgid;
	msgid = msgget(0x1234, 0666|IPC_CREAT);
	if (msgid == -1) 
	{
		if (errno == ENOENT) 
		{
			printf("自己检查错误, 消息队列不存在\n");
		}
		perror("msgget");
		return -1;
	}
	printf("创建消息队列成功\n");
	return 0;
}
#endif

//打开消息队列,若存在,使用旧的,若不存在,则创建
//获取消息队列的id
#if 0
int test()
{
	int msgid;
	msgid = msgget(0x1234, 0666|IPC_CREAT);
	if (msgid == -1) 
	{
		if (errno == ENOENT) 
		{
			printf("自己检查错误, 消息队列不存在\n");
		}
		perror("msgget");
		return -1;
	}
	printf("msgid:%d\n", msgid);
	printf("创建消息队列成功\n");
	return 0;
}
#endif
//若 IPC_CREAT and IPC_EXCL 在一起。。。。
//若不存在,则创建
//打开消息队列,若存在,则提示已经存在
//单独使用IPC_EXCL没有任何意义
#if 0
int test()
{
	int msgid;
	msgid = msgget(0x1234, 0666|IPC_CREAT|IPC_EXCL);
	if (msgid == -1) 
	{
		if (errno == ENOENT) 
		{
			printf("自己检查错误, 消息队列不存在\n");
		}
		
		if (errno == EEXIST) 
		{
			printf("自己检查错误, 消息队列已经存在\n");
		}
		perror("msgget");
		return -1;
	}
	printf("msgid:%d\n", msgid);
	printf("创建消息队列成功\n");
	return 0;
}
#endif
/*
	IPC_PRIVATE创建消息队列,只能在自己家族中使用
	不能在没有血缘关系的进程间用
	当使用了 IPC_PRIVATE,则 IPC_CREAT and IPC_EXCL不起作用
	。
	每次执行程序,msqid都不一样
	
	hzmct@U-64:~$ ipcs -q

------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages             
0x00000000 32769      hzmct      666        0            0           
0x00000000 65538      hzmct      666        0            0           
0x00000000 98307      hzmct      666        0            0           
0x00000000 131076     hzmct      666        0            0  
*/
#if 0
int test()
{
	int msgid;
	msgid = msgget(IPC_PRIVATE, 0666);
	if (msgid == -1) 
	{
		if (errno == ENOENT) 
		{
			printf("自己检查错误, 消息队列不存在\n");
		}
		
		if (errno == EEXIST) 
		{
			printf("自己检查错误, 消息队列已经存在\n");
		}
		perror("msgget");
		return -1;
	}
	printf("msgid:%d\n", msgid);
	printf("创建消息队列成功\n");
	return 0;
}
#endif

int main()
{
	test();
	return 0;
}


<think>好的,我现在要回答用户关于IPC消息队列的问题。首先,我需要确认自己对消息队列的理解是否正确。消息队列是进程间通信的一种方式,它允许进程通过发送和接收消息来交换数据。不过,我需要详细整理一下相关的知识点,确保回答准确。 首先,回忆一下IPC的几种主要方式,比如管道、信号量、共享内存、套接字和消息队列消息队列与其他方式有什么不同呢?可能的特点是异步通信、结构化的数据传递、以及内核的持久性。需要确认这些点是否正确。 然后,消息队列的基本工作原理。进程A将消息发送到队列,进程B从队列中读取。这里的关键是队列由内核维护,消息可以以数据块的形式存在,每个消息可能有类型标识符。这样接收方可以根据类型选择读取,而不仅仅是顺序。这点很重要,需要强调消息的结构化和类型区分。 接下来,消息队列的特点。比如,消息队列是保存在内核中的,即使进程结束,队列可能仍然存在,需要显式删除。这点需要注意,否则可能造成资源泄漏。另外,消息队列支持多个进程读写,但需要考虑同步问题,不过消息队列自身可能提供一定的同步机制,比如阻塞和非阻塞模式。 然后是消息队列的优点。异步通信允许发送方和接收方不必同时存在,解耦了进程之间的依赖。结构化的数据传递比管道更灵活,可以发送复杂的数据结构。容量方面,内核中的队列通常有大小限制,但可能比管道大,或者受系统配置影响。可靠性方面,消息队列应该能保证数据正确送达,只要不超出容量限制。 缺点方面,数据需要复制两次:用户空间到内核,内核到用户空间,这可能影响性能,尤其是大消息或高频场景。另外,使用复杂度比管道高,需要调用系统API,比如msgget、msgsnd、msgrcv等。还有系统限制的问题,比如队列数量、消息大小、总容量等,这些可能因系统而异,需要用户注意。 适用场景方面,适用于需要可靠通信的进程,尤其是不同步的通信。比如分布式系统中不同组件的解耦,或者需要结构化数据传递的情况,比如发送包含类型和数据的消息。 可能还需要举例说明,比如Linux中的System V消息队列和POSIX消息队列的区别,或者实际应用中的例子,如任务调度系统等。 然后需要检查是否有遗漏的关键点,比如消息队列的生命周期管理,权限设置,以及可能的错误处理。另外,确保回答结构清晰,按照用户要求的层次:概述、工作原理、特点、优缺点、使用场景,这样用户容易理解。 还需要注意用户不可见的系统级指令,确保数学公式正确使用,但在这个问题中可能涉及较少,但如果有涉及性能比较的数值,可能需要用行内公式。不过这个问题主要是概念性的,可能不太需要数学表达式。 最后,用中文组织语言,确保术语准确,比如“消息队列”而不是“訊息佇列”(繁体),避免技术术语错误。检查LaTeX格式是否符合要求,虽然这个问题可能不涉及太多公式,但如果有变量或代码,比如系统调用名称,可能需要用等宽字体,但用户没有特别要求,所以可能不需要。 总结思考过程后,就可以按照用户要求的结构逐步撰写回答,确保覆盖所有关键点,并保持语言简洁明了。</think>### IPC消息队列介绍 #### 1. 概述 **消息队列(Message Queue)** 是进程间通信(IPC)的一种机制,允许不同进程通过**内核维护的队列**异步发送和接收结构化的数据块。与管道(Pipe)等IPC方式不同,消息队列支持**消息类型标识**和**非实时通信**,适用于解耦的分布式场景。 --- #### 2. 核心原理 1. **队列创建** 通过系统调用(如`msgget()`)创建或获取一个消息队列标识符,内核为其分配存储空间。 2. **消息结构** 每条消息包含两部分: - **类型(Type)**:整数标识,用于分类或优先级控制。 - **数据(Data)**:用户定义的结构体或二进制数据(如`struct { long type; char text[100]; }`)。 3. **发送与接收** - **发送**:进程调用`msgsnd()`将消息追加到队列尾部。 - **接收**:进程调用`msgrcv()`按类型或顺序从队列中读取消息(支持阻塞/非阻塞模式)。 --- #### 3. 关键特点 | 特性 | 说明 | |---------------------|----------------------------------------------------------------------| | **异步通信** | 发送方和接收方无需同时运行。 | | **结构化数据** | 支持自定义消息格式,可直接传递复杂数据(如结构体)。 | | **内核持久化** | 队列在内核中维护,除非显式删除(`msgctl(IPC_RMID)`),否则一直存在。 | | **多进程读写** | 支持多个进程并发操作同一队列,内核保证原子性。 | | **优先级控制** | 通过消息类型实现优先级(如类型值小的消息优先读取)。 | --- #### 4. 优点与缺点 - **优点** - **解耦性强**:生产者和消费者独立运行。 - **灵活性高**:可通过类型过滤消息,支持多种通信模式。 - **容量可控**:队列长度由系统配置限制(如Linux的`/proc/sys/kernel/msgmnb`)。 - **缺点** - **性能瓶颈**:数据需在内核与用户空间之间两次拷贝,高频场景效率低。 - **系统限制**:队列数量、单条消息大小受内核参数限制(如Linux默认最大消息为8KB)。 - **复杂度高**:需处理队列生命周期、权限(`IPC_CREAT | 0666`)和错误(如`ENOMSG`)。 --- #### 5. 适用场景 1. **异步任务处理** 例如:Web服务器将用户请求放入队列,工作进程异步处理。 2. **多进程协作** 例如:GUI进程发送事件消息,后台进程处理计算。 3. **异构系统通信** 例如:不同编程语言的进程通过JSON格式消息交互。 --- #### 6. 代码示例(Linux System V) ```c // 发送消息 struct msg_buffer { long type; char data[100]; } message; int msgid = msgget(1234, 0666 | IPC_CREAT); message.type = 1; strcpy(message.data, "Hello"); msgsnd(msgid, &message, sizeof(message), 0); // 接收消息 msgrcv(msgid, &message, sizeof(message), 1, 0); printf("Received: %s\n", message.data); // 删除队列 msgctl(msgid, IPC_RMID, NULL); ``` --- #### 7. 对比其他IPC | 机制 | 实时性 | 数据格式 | 生命周期 | 典型场景 | |------------|----------|--------------|------------------|------------------------| | 管道 | 同步 | 字节流 | 随进程终止 | 父子进程简单通信 | | 共享内存 | 同步 | 自定义 | 显式释放 | 高性能大数据量交换 | | 信号量 | 同步 | 控制信号 | 显式释放 | 资源互斥 | | 消息队列 | **异步** | **结构化** | 显式删除 | 解耦的模块化系统 | --- #### 8. 总结 消息队列通过**异步通信**和**结构化数据**,为复杂系统提供了一种可靠的解耦方案。尽管存在性能限制,但其在分布式系统、微服务架构中仍有广泛应用(如RabbitMQ、Kafka的设计思想与之类似)。使用时需注意系统资源的合理管理。
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