IPC之消息队列

key_t键和ftok()函数

* 消息队列、信号量和共享内存具有内核持续性(与具体进程周期不相关),故需要在内核用一个全局唯一的Key来标识。

* 这个Key的类型为整数key_t (#include<sys/types.h>),可以在代码写死,也可以用ftok()函数生成
* key_t ftok( const char * fname, int id )
- fname为已存在的文件(不存在返回-1),id为子序号。通过fname文件索引节点号加上子序号构造Key

- 使用例子:

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>

int main()
{
    const char *pMsgPath = "/data/home/andyawang/code/ipc/MsgQueue";
    key_t key = ftok(pMsgPath, 1);
    printf("Key : %d\n", key);
    return 0;
}

2个命令:ipcs和ipcrm
* ipcs用于显示当前内核这3种IPC的各种信息,ipcrm为删除
* 使用例子:

# ipcs
------ Shared Memory Segments --------
key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status      
0x00000000 0          root       666        12000      6          dest         
0x00005fe7 32769      root       666        524288     2                       
0x00005fe8 65538      root       666        2097152    12  
------ Semaphore Arrays --------
key        semid      owner      perms      nsems     
0x00008708 32769      root       666        1         
0x000086f8 589826     root       666        1
------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages    
0x5ca04f5b 3473408    root		 666        0            0         


消息队列
* 内核维护的一个以消息为单位的队列,实质为一个链表结构


数据结构msqid_ds (#include<sys/msg.h>)

struct msqid_ds
{
    struct msqid_ds {
    struct ipc_perm msg_perm;
    struct msg *msg_first;      	/* first message on queue,unused  */
    struct msg *msg_last;       	/* last message in queue,unused */
    __kernel_time_t msg_stime;  	/* last msgsnd time */
    __kernel_time_t msg_rtime;  	/* last msgrcv time */
    __kernel_time_t msg_ctime;  	/* last change time */
    unsigned long  msg_lcbytes; 	/* Reuse junk fields for 32 bit */
    unsigned long  msg_lqbytes; 	/* ditto */
    unsigned short msg_cbytes;  	/* current number of bytes on queue */
    unsigned short msg_qnum;    	/* number of messages in queue */
    unsigned short msg_qbytes;  	/* max number of bytes on queue */
    __kernel_ipc_pid_t msg_lspid;   /* pid of last msgsnd */
    __kernel_ipc_pid_t msg_lrpid;   /* last receive pid */
};


* 相关函数

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
// 创建或打开一个消息队列
int msgget(key_t key, int msgflg);
// 往消息队列发送消息
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
// 往消息队列取出消息
ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);
// 控制操作,如删除等
int msgctl ( int msgqid, int cmd, struct msqid_ds *buf );


* 使用例子:

[服务端:MsgQueSvr,cpp,循环 { 接收消息类型为1的消息之后,就发送消息类型为2的消息 } ]

#include <iostream>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
using namespace std;
const int MAXSIZE = 100;

// 消息的数据结构:
// * 最前必须有一个long来作为消息的类型,剩下的可自定义
struct SMsgUnit
{
    long type;
    int len;
    char data[MAXSIZE];
};

int main()
{
    struct SMsgUnit sMsg;
    key_t iKey;
    int iMsgId;

    // Get MsgQue Key
    const char *pMsgPath = "/data/home/andyawang/code/ipc/MsgQueue";
    if ((iKey = ftok(pMsgPath, 1)) == -1) {
        cout << "Ftok Err" << endl;
        return -1;
    }

    // 1.msgget
    if ((iMsgId = msgget(iKey, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666)) == -1) {
        cout << "Msgget Err" << endl;
        return -1;
    }

    // 2.msgrcv & msgsnd
    for(int i = 0; i < 5; i ++)
    {
        msgrcv(iMsgId, &sMsg, sizeof(struct SMsgUnit), 1, 0);
        cout << "Svr Recv Msg, type=" << sMsg.type << ", len=" << sMsg.len << ", data=" << sMsg.data << endl;
        sMsg.type = 2;
        strcpy(sMsg.data, "I Am Svr..");
        sMsg.len = strlen(sMsg.data);
        msgsnd(iMsgId, &sMsg, sizeof(struct SMsgUnit), 0);
    }

    // 3.msgctl
    if (msgctl(iMsgId, IPC_RMID, NULL) == -1) {
        cout << "Msgctl Err" << endl;
        return -1;
    }

    return 0;
}
[客户端:MsgQueCli.cpp,发送消息类型为1的消息之后,就接收消息类型为2的消息 ]

#include <iostream>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
using namespace std;
const int MAXSIZE = 100;

struct SMsgUnit
{
    long type;
    int len;
    char data[MAXSIZE];
};

int main()
{
    struct SMsgUnit sMsg;
    key_t iKey;
    int iMsgId;

    // Get MsgQue Key
    const char *pMsgPath = "/data/home/andyawang/code/ipc/MsgQueue";
    if ((iKey = ftok(pMsgPath, 1)) == -1) {
        cout << "Ftok Err" << endl;
        return -1;
    }

    // 1.msgget
    if ((iMsgId = msgget(iKey, IPC_CREAT|0666)) == -1) {
        cout << "Msgget Err" << endl;
        return -1;
    }

    // 2.msgsnd
    sMsg.type = 1;
    strcpy(sMsg.data, "I Am Cli..");
    sMsg.len = strlen(sMsg.data);
    msgsnd(iMsgId, &sMsg, sizeof(struct SMsgUnit), 0);

    // 3.msgrcv
    msgrcv(iMsgId, &sMsg, sizeof(struct SMsgUnit), 2, 0);
    cout << "Cli Recv Msg, type=" << sMsg.type << ", len=" << sMsg.len << ", data=" << sMsg.data << endl;

    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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