Linux应用进程间通信三（消息队列）
一、消息队列（Message Queue）概述
消息队列（Message Queue，MQ）是 Linux 系统中用于进程间通信的一种机制。它允许不同进程之间以消息的形式交换信息。消息队列提供了一种异步的通信方式，使得发送方和接收方可以在不同的时间和不同的速度进行数据传输，从而避免了直接的同步操作。
消息队列具有以下特点：
- 异步通信：发送者不需要等待接收者处理完消息才能继续执行，消息会暂时存储在队列中，直到接收者取出。
- 先进先出（FIFO）：消息在队列中是按照发送的顺序排列的，先发送的消息先被接收。
- 可扩展性：消息队列可以处理多个发送者和多个接收者，可以适应多种进程通信需求。
- 内核管理：消息队列的管理由操作系统内核进行，因此能够提供高效的资源分配和访问控制。
1.1、消息队列的工作原理
消息队列的基本工作原理是通过内核提供的 API，允许进程将消息写入队列（发送），并允许其他进程从队列中读取消息（接收）。消息队列作为一个内核对象，负责存储和管理这些消息。
-
创建消息队列：进程可以通过
msgget()函数创建一个新的消息队列或打开已存在的队列。 -
发送消息：通过
msgsnd()函数将消息写入队列。写入操作是异步的，发送进程不需要等待接收进程读取消息即可继续执行。 -
接收消息：接收进程通过
msgrcv()函数从消息队列中读取消息。如果队列为空，接收操作可以选择阻塞，直到有新的消息可供接收。 -
删除消息队列：通过
msgctl()函数可以删除消息队列，释放与该队列相关的系统资源。
1.2、消息队列的组成
消息队列由一系列消息组成，每条消息由两部分构成：
- 消息类型（Message Type）：用于标识消息的类型，可以是整数值。接收方可以根据类型选择性地接收消息。
- 消息内容（Message Data）：消息体部分，包含实际的数据。
1.3、消息队列的优点
- 异步通信：进程之间不需要直接同步，能够避免因等待而导致的阻塞。
- 可存储大量数据：消息队列可以存储多个消息，当队列未满时，发送者可以继续发送消息。
- 灵活性高：可以通过消息类型进行过滤，进程可以根据类型选择接收特定的消息。
- 内核管理：由操作系统内核管理消息队列，提供了系统级的安全性和资源管理。
1.4、消息队列的缺点
- 较为复杂的管理：需要程序员显式地管理消息的发送和接收，容易出现竞态条件。
- 内存消耗：系统需要为每个消息队列分配内存，如果消息队列过大或过多，可能会消耗大量系统资源。
- 消息丢失风险：如果队列已满，发送方的消息可能会被丢弃。虽然也有优先级队列和阻塞接收等方式来缓解这种情况，但仍然存在一定风险。
1.5、Linux 中的消息队列 API
Linux 提供了几个与消息队列相关的系统调用，最常见的包括：
-
msgget()：创建一个消息队列或打开一个已存在的消息队列。
int msgget(key_t key, int msgflg);
-
msgsnd()：将消息发送到指定的消息队列。
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
-
msgrcv()：从消息队列接收一条消息。
ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);
-
msgctl()：控制消息队列的属性（如删除队列、获取队列状态等）。
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
二、实现过程
2.1、消息队列
消息队列：提供一种从一个进程向另一个进程发送一个数据块的方法。与FIFO相比，消息队列的优势在于，它独立于发送和接收进程而存在。
1.链表式结构组织，存放于内核。
2.通过队列标识来引用。
3.通过一个数据类型来索引指定的数据。
每个队列都有一个msqid_ds结构与其关联“
struct msqid_ds{
struct ipc_perm msg_perm;
msgqnum_t msg_qnum;
msglen_t msg_qbytes;
pid_t msg_lspid;
pid_t msg_lrpid;
...
}
2.2、msgget函数
#include <sys/msg.h>
int msgget(key_t key, int msgflg);
第一个参数key：每一个IPC对象与一个key对应。也可以由函数ftok生成。
第二个参数msgflg：函数的行为（0666|IPC_CREAT表示用户具有读写权限） IPC_CREAT值，若没有该队列，则创建一个并返回新标识符；若已存在，则返回原标识符。 IPC_EXCL值，若没有该队列，则返回-1；若已存在，则返回0。
返回值： 成功：非负队列ID； 失败：-1；
作用 ：创建或打开一个现有队列。
可通过ipcs -q（只查看消息队列的状态）：查看系统的IPC状态
2.3、msgsnd函数
#include<sys/msg.h>
int msgsnd(int msqid, const void *msg_ptr, size_t msg_sz, int msgflg);
第一个参数msqid是由msgget函数返回的消息队列标识符；
第二个参数msg_ptr是一个指向准备发送消息的指针，消息必须像刚才说的那样以一个长整型成员变量开始；
第三个参数msg_sz是msg_ptr指向的消息的长度。这个长度不能包括长整型消息类型成员变量的长度；
第四个参数msgfig： 0:当消息队列满时,msgsnd将会阻塞,直到消息能写进消息队列。 IPC_NOWAIT:当消息队列已满的时候,msgsnd函数不等待立即返回。 IPC_NOERROR:若发送的消息大于size字节,则把该消息截断,截断部分将被丢弃,且不通知发送进程
返回值： 成功：0； 失败：-1；
作用：把消息添加到消息队列中。
消息的结构受两方面的约束。首先，它的长度必须小于系统规定的上限；其次，它必须以一个长整型成员变量开始。接收函数将用这个成员变量来确定消息的类型。当使用消息时，最好把消息结构定义为下面这样：
struct my_message{
long int message_type; /* 必须大于0,消息类型 */
char mtext[512]; //假如我们要发送512个字节的数据
}
由于在消息的接收中要用到message_type，所以你不能忽略它。你必须在声明自己的数据结构时包含它，并且最好将它初始化为一个已知值。
msgsnd()解除阻塞的条件有以下三个条件:
① 不满足消息队列满或个数满两个条件,即消息队列中有容纳该消息的空间。
② msqid代表的消息队列被删除。
③ 调用msgsnd函数的进程被信号中断。
2.4、msgrcv函数
#include<sys/msg.h>
int msgrcv(int msqid, void *msg_ptr, size_t msg_sz, long int msgtype, int msgflg);
第一个参数msqid是由msgget函数返回的消息队列标识符；
第二个参数msg_ptr是一个指向准备接收消息的指针，消息必须像前面msgsnd函数中介绍的那样以一个长整型成员变量开始。
第三个参数msg_sz是msg_ptr指向的消息的长度，它不包括长整型消息类型成员变量的长度。
第四个参数msgtype是一个长整型，它可以实现一种简单形式的接收优先级。如果msgtype的值为0，就获取队列中的第一个可用消息。如果它的值大于零，将获取具有相同消息类型的第一个消息。如果它的值小于零，将获取消息类型等于或小于msgtype的绝对值的第一个消息。
这个函数看起来好像很复杂，但实际应用很简单。如果只想按照消息发送的顺序来接收它们，就把msgtype设置为0。如果只想获取某一特定类型的消息，就把msgtype设置为相应的类型值。如果想接收类型等于或小于n的消息，就把msgtype设置为-n。
第五个参数msgflg： 0: 阻塞式接收消息,没有该类型的消息msgrcv函数一直阻塞等待。 IPC_NOWAIT:如果没有返回条件的消息调用立即返回,此时错误码为ENOMSG。 IPC_EXCEPT:与msgtype配合使用返回队列中第一个类型不为msgtype的消息。 IPC_NOERROR:如果队列中满足条件的消息内容大于所请求的size字节,则把该消息截断,截断部成功:实际读取到的消息数据长度。 出错:-1,错误原因存于error中。
作用：从队列中取用消息。
其中对第四个参数举例说明：消息队列中要求通过一个数据类型来索引指定的数据。也就是在msgsng发送数据前会对long int message_type变量进行复制。通过这个变量来标识数据。而且这个变量必须要大于0.
那么在msgrcv中，对第四个参数msgtype进行选值时。
如果等于0，则按照队列的顺序去取，先到先取的原则。
如果大于0，假如msgtype=1。就会取找队列中message_type等于1的队列的排在第一个的消息。
如果小于0，假如msgtype=-2。就会-2取绝对值，也就是等于2。再取队列中message_type等于或者小于2的排在第一个的消息。
msgrcv()解除阻塞的条件有以下三个:
① 消息队列中有了满足条件的消息。
② msqid代表的消息队列被删除。
③ 调用msgrcv()的进程被信号中断。
2.5、msgctl函数
#include<sys/msg.h>
int msgctl(int msqid, int command, struct msqid_ds *buf);
第一个参数msqid是由msgget返回的消息队列标识符；
第二个参数command是将要采取的动作，它可以取3个值。
IPC_STAT 取出队列的msqid_ds结构，并将它存放在buf指向的结构中。
IPC_SET 如果进程有足够的权限，将buf指向的结构复制到与这个队列相关的msqid_ds结构中。
IPC_RMID 从系统中删除该消息队列以及仍在该队列中的所有数据。这种删除立即生效。仍在使用这一消息队列的其他进程在它们下一次试图对此队列操作，将得到EIDRM错误。
返回值： 成功：0； 失败：-1
2.6、实例
send.c
/*send.c*/
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <errno.h>
#define MSGKEY 1024
struct msgstru
{
long msgtype;
char msgtext[2048];
};
main()
{
struct msgstru msgs;
int msg_type;
char str[256];
int ret_value;
int msqid;
msqid=msgget(MSGKEY,IPC_EXCL); /*检查消息队列是否存在*/
if(msqid < 0){
msqid = msgget(MSGKEY,IPC_CREAT|0666);/*创建消息队列*/
if(msqid <0){
printf("failed to create msq | errno=%d [%s]\n",errno,strerror(errno));
exit(-1);
}
}
while (1){
printf("input message type(end:0):");
scanf("%d",&msg_type);
if (msg_type == 0) //为什么msg_type=0要直接break？因为规定msg_type必须要大于0
break;
printf("input message to be sent:");
scanf ("%s",str);
msgs.msgtype = msg_type;
strcpy(msgs.msgtext, str);
/* 发送消息队列 */
ret_value = msgsnd(msqid,&msgs,sizeof(struct msgstru),IPC_NOWAIT); //疑问：sizeof(struct msgsrtu)包括了长整型的长度，不是说不包括吗
if ( ret_value < 0 ) {
printf("msgsnd() write msg failed,errno=%d[%s]\n",errno,strerror(errno));
exit(-1);
}
}
msgctl(msqid,IPC_RMID,0); //删除消息队列
}
/*receive.c */
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <errno.h>
#define MSGKEY 1024
struct msgstru
{
long msgtype;
char msgtext[2048];
};
/*子进程，监听消息队列*/
void childproc(){
struct msgstru msgs;
int msgid,ret_value;
char str[512];
while(1){
msgid = msgget(MSGKEY,IPC_EXCL );/*检查消息队列是否存在 */
if(msgid < 0){
printf("msq not existed! errno=%d [%s]\n",errno,strerror(errno));
sleep(2);
continue;
}
/*接收消息队列*/
ret_value = msgrcv(msgid,&msgs,sizeof(struct msgstru),0,0);
printf("text=[%s] pid=[%d]\n",msgs.msgtext,getpid());
}
return;
}
void main()
{
int i,cpid;
/* create 5 child process */
for (i=0;i<5;i++){
cpid = fork();
if (cpid < 0)
printf("fork failed\n");
else if (cpid ==0) /*child process*/
childproc();
}
}
注意，消息队列是由发送端也就是写端创建的。（为什么要由写端创建？）
其中msgrcv和msgsng中sizeof(struct msgstru)是错误的，应该是sizeof(struct msgstru) - sizeof(long)。
2.7、msgctl.c实例
msgctl.c源代码如下:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <error.h>
#define TEXT_SIZE 512
struct msgbuf
{
long mtype;
char mtext[TEXT_SIZE];
};
int main(int argc, char **argv)
{
int msqid ;
struct msqid_ds info ;
struct msgbuf buf ;
struct msgbuf buf1 ;
int flag ;
int sendlength, recvlength ;
msqid = msgget( IPC_PRIVATE, 0666 ) ;
if ( msqid < 0 )
{
perror("get ipc_id error") ;
return -1 ;
}
buf.mtype = 1 ;
strcpy(buf.mtext, "happy new year!") ;
sendlength = sizeof(struct msgbuf) - sizeof(long) ;
flag = msgsnd( msqid, &buf, sendlength , 0 ) ;
if ( flag < 0 )
{
perror("send message error") ;
return -1 ;
}
buf.mtype = 3 ;
strcpy(buf.mtext, "good bye!") ;
sendlength = sizeof(struct msgbuf) - sizeof(long) ;
flag = msgsnd( msqid, &buf, sendlength , 0 ) ;
if ( flag < 0 )
{
perror("send message error") ;
return -1 ;
}
flag = msgctl( msqid, IPC_STAT, &info ) ;
if ( flag < 0 )
{
perror("get message status error") ;
return -1 ;
}
printf("uid:%d, gid = %d, cuid = %d, cgid= %d\n" ,
info.msg_perm.uid, info.msg_perm.gid, info.msg_perm.cuid, info.msg_perm.cgid ) ;
printf("read-write:%03o, cbytes = %lu, qnum = %lu, qbytes= %lu\n" ,
info.msg_perm.mode&0777, info.msg_cbytes, info.msg_qnum, info.msg_qbytes ) ;
system("ipcs -q") ;
recvlength = sizeof(struct msgbuf) - sizeof(long) ;
memset(&buf1, 0x00, sizeof(struct msgbuf)) ;
flag = msgrcv( msqid, &buf1, recvlength ,3,0 ) ;
if ( flag < 0 )
{
perror("recv message error") ;
return -1 ;
}
printf("type=%ld, message=%s\n", buf1.mtype, buf1.mtext) ;
flag = msgctl( msqid, IPC_RMID,NULL) ;
if ( flag < 0 )
{
perror("rm message queue error") ;
return -1 ;
}
system("ipcs -q") ;
return 0 ;
}
执行 ./msg,执行结果如下:
uid:1008, gid = 1003, cuid = 1008, cgid= 1003
read-write:666, cbytes = 1024, qnum = 2, qbytes= 163840
------ Message Queues --------
key msqid owner perms used-bytes messages
0x00000000 65536 zjkf 666 1024 2
type=3, message=good bye!
------ Message Queues --------
key msqid owner perms used-bytes messages
2.8、两进程通过消息队列收发消息
(1)发送消息队列程序
msgsnd.c源代码如下:
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <time.h>
#define TEXT_SIZE 512
struct msgbuf
{
long mtype ;
int status ;
char time[20] ;
char mtext[TEXT_SIZE] ;
} ;
char *getxtsj()
{
time_t tv ;
struct tm *tmp ;
static char buf[20] ;
tv = time( 0 ) ;
tmp = localtime(&tv) ;
sprintf(buf,"%02d:%02d:%02d",tmp->tm_hour , tmp->tm_min,tmp->tm_sec);
return buf ;
}
int main(int argc, char **argv)
{
int msqid ;
struct msqid_ds info ;
struct msgbuf buf ;
struct msgbuf buf1 ;
int flag ;
int sendlength, recvlength ;
int key ;
key = ftok("msg.txt", 0x01 ) ;
if ( key < 0 )
{
perror("ftok key error") ;
return -1 ;
}
msqid = msgget( key, 0600|IPC_CREAT ) ;
if ( msqid < 0 )
{
perror("create message queue error") ;
return -1 ;
}
buf.mtype = 1 ;
buf.status = 9 ;
strcpy(buf.time, getxtsj()) ;
strcpy(buf.mtext, "happy new year!") ;
sendlength = sizeof(struct msgbuf) - sizeof(long) ;
flag = msgsnd( msqid, &buf, sendlength , 0 ) ;
if ( flag < 0 )
{
perror("send message error") ;
return -1 ;
}
buf.mtype = 3 ;
buf.status = 9 ;
strcpy(buf.time, getxtsj()) ;
strcpy(buf.mtext, "good bye!") ;
sendlength = sizeof(struct msgbuf) - sizeof(long) ;
flag = msgsnd( msqid, &buf, sendlength , 0 ) ;
if ( flag < 0 )
{
perror("send message error") ;
return -1 ;
}
system("ipcs -q") ;
return 0 ;
}
(2)接收消息队列程序
msgrcv.c源代码如下:
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#define TEXT_SIZE 512
struct msgbuf
{
long mtype ;
int status ;
char time[20] ;
char mtext[TEXT_SIZE] ;
};
int main(int argc, char **argv)
{
int msqid ;
struct msqid_ds info ;
struct msgbuf buf1 ;
int flag ;
int recvlength ;
int key ;
int mtype ;
key = ftok("msg.txt", 0x01 ) ;
if ( key < 0 )
{
perror("ftok key error") ;
return -1 ;
}
msqid = msgget( key, 0 ) ;
if ( msqid < 0 )
{
perror("get ipc_id error") ;
return -1 ;
}
recvlength = sizeof(struct msgbuf) - sizeof(long) ;
memset(&buf1, 0x00, sizeof(struct msgbuf)) ;
mtype = 1 ;
flag = msgrcv( msqid, &buf1, recvlength ,mtype,0 ) ;
if ( flag < 0 )
{
perror("recv message error") ;
return -1 ;
}
printf("type=%ld,time=%s, message=%s\n", buf1.mtype, buf1.time, buf1.mtext) ;
system("ipcs -q") ;
return 0 ;
}
(3)编译与执行程序
① 在当前目录下利用>msg.tmp建立空文件msg.tmp。
② 编译发送消息队列程序 gcc msgsnd.c -o msgsnd。
③ 执行./msgsnd,执行结果如下:
----- Message Queues --------
key msqid owner perms used-bytes messages
0x0101436d 294912 zjkf 600 1072 2
④ 编译接收消息程序 gcc msgrcv.c -o msgrcv
⑤ 执行./msgrcv,执行结果如下:
type=1,time=03:23:16, message=happy new year!
------ Message Queues --------
key msqid owner perms used-bytes messages
0x0101436d 294912 zjkf 600 536 1
⑥ 利用ipcrm -q 294912删除该消息队列。因为消息队列是随内核持续存在的,在程序中若不利用msgctl函数或在命令行用ipcrm命令显式地删除,该消息队列就一直存在于系统中。另外信号量和共享内存也是随内核持续存在的。
三、测试：两个进程都创建消息队列会发生什么？
在 Linux 中，两个进程如果都调用 msgget() 来创建消息队列，会根据传递的键（key）和标志（msgflg）的不同情况，发生以下几种情况：
1. 相同的键（key）和 IPC_CREAT 标志
如果两个进程都使用相同的 key 值，并且都传递了 IPC_CREAT 标志，这时操作系统会创建一个消息队列并返回同一个队列的标识符（msqid）。即使两个进程在不同时间调用 msgget()，它们将得到相同的消息队列 ID，并可以在这个队列上进行通信。
- 进程 1：通过
msgget(key, IPC_CREAT | 0666)创建消息队列，获得队列 IDmsqid1。 - 进程 2：通过
msgget(key, IPC_CREAT | 0666)创建消息队列，获得相同的队列 IDmsqid2。
结果：
- 两个进程将操作同一个消息队列，它们可以共享该队列中的消息，进行进程间通信。
- 消息队列的创建和管理由内核负责，多个进程可以对该队列进行读写操作。
2. 相同的键（key）和不同的标志
如果两个进程使用相同的键值（key），但在标志（msgflg）上有所不同，结果将取决于它们的具体标志设置。
- IPC_CREAT 和 IPC_EXCL 标志
假设进程 1 使用 msgget(key, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666) 来创建消息队列，而进程 2 使用 msgget(key, IPC_CREAT | 0666) 来尝试创建队列：
- 进程 1 会创建消息队列，并且如果队列已经存在（即有其他进程已经创建），则返回
-1，并且设置errno为EEXIST（表示队列已存在）。 - 进程 2 在进程 1 已经创建消息队列后，调用
msgget(key, IPC_CREAT | 0666)时，会成功返回相同的队列 ID（即队列已经存在）。这时，进程 2 获取的是现有队列的 ID，而不是新创建的队列。
- IPC_CREAT 无 IPC_EXCL 标志
如果两个进程都使用 IPC_CREAT 标志但不使用 IPC_EXCL 标志，则这两个进程都会创建同一个消息队列，进程 2 会得到相同的队列 ID。
3. 不同的键（key）
如果两个进程使用不同的 key 值，系统会创建两个不同的消息队列，分别对应不同的队列 ID。每个进程会获得它们各自的队列 ID，且它们操作的是完全独立的消息队列。
- 进程 1：通过
msgget(key1, IPC_CREAT | 0666)创建消息队列，获得队列 IDmsqid1。 - 进程 2：通过
msgget(key2, IPC_CREAT | 0666)创建消息队列，获得队列 IDmsqid2。
结果：
- 每个进程操作独立的消息队列，消息不共享。
总结
- 相同的
key和IPC_CREAT标志：多个进程可以获得相同的消息队列 ID，并共享该队列。 - 不同的标志（如
IPC_EXCL）：会导致创建行为不同，但如果队列已存在，进程 2 可能会获取现有队列的 ID。 - 不同的
key：不同的队列会被创建，进程间无法共享消息。
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