Linux程序设计学习笔记----System V进程通信之消息队列

一个或多个进程可向消息队列写入消息，而一个或多个进程可从消息队列中读取消息，这种进程间通讯机制通常使用在客户/服务器模型中，客户向服务器发送请求消息，服务器读取消息并执行相应请求。在许多微内核结构的操作系统中，内核和各组件之间的基本通讯方式就是消息队列。例如，在 MINIX 操作系统中，内核、I/O 任务、服务器进程和用户进程之间就是通过消息队列实现通讯的。

Linux中的消息可以被描述成在内核地址空间的一个内部链表，每一个消息队列由一个IPC的标识号唯一的标识。Linux 为系统中所有的消息队列维护一个 msgque 链表，该链表中的每个指针指向一个 msgid_ds 结构，该结构完整描述一个消息队列。

System V消息队列是Open Group定义的XSI，不属于POSIX标准。System V IPC的历史相对很早，在上个世70年代后期有贝尔实验室的分支机构开发，80年代加入System V的系统内核中，后来商用UNIX系统基本都加入了System V IPC的功能。

System V消息队列相对于POSIX消息队列的区别主要是：

POSIX消息队列的读操作总是返回消息队列中优先级最高的最早消息，而对于System V消息队列可以返回任意指定优先级（通过消息类型）的消息。
当向一个空消息队列中写入一个消息时，POSIX消息队列允许产生一个信号或启动一个线程，System V消息队列不提供类似的机制。

数据结构与基本属性

(1)消息缓冲区(msgbuf)

我们在这里要介绍的第一个数据结构是msgbuf结构，可以把这个特殊的数据结构看成一个存放消息数据的模板，它在include/linux/msg.h中声明，描述如下：

/* msgsnd 和msgrcv 系统调用使用的消息缓冲区*/

struct msgbuf {

   long mtype;        /* 消息的类型，必须为正数 */

   char mtext[1];      /* 消息正文 */

};

注意：对于消息数据元素(mtext)，不要受其描述的限制。实际上，这个域(mtext)不仅能保存字符数组，而且能保存任何形式的任何数据。这个域本身是任意的，因为这个结构本身可以由应用程序员重新定义：

struct my_msgbuf {

        long    mtype;         /* 消息类型 */

       long   request_id;    /* 请求识别号 */

       struct  client info;    /* 客户消息结构 */

};

我们看到，消息的类型还是和前面一样，但是结构的剩余部分由两个其它的元素代替，而且有一个是结构。这就是消息队列的优美之处，内核根本不管传送的是什么样的数据，任何信息都可以传送。

但是，消息的长度还是有限制的，在Linux中，给定消息的最大长度在include/linux/msg.h中定义如下：

#define MSGMAX  8192    /* max size of message(bytes) */

消息总的长度不能超过8192字节，包括mtype域，它是4字节长。

(2)消息结构(msg)

内核把每一条消息存储在以msg结构为框架的队列中，它在include/ linux/msg.h中定义如下：

struct msg {

   struct msg *msg_next;  /* 队列上的下一条消息 */

   long  msg_type;         /*消息类型*/

   char *msg_spot;        /* 消息正文的地址 */

   short msg_ts;          /* 消息正文的大小 */

};

注意：msg_next是指向下一条消息的指针，它们在内核地址空间形成一个单链表。

(3)消息队列结构(msgid_ds)

当在系统中创建每一个消息队列时，内核创建、存储及维护这个结构的一个实例。

<bits/msq.h>

struct msqid_ds
{
  struct ipc_perm msg_perm;        /*IPC对象的属性信息和访问权限 */
  __time_t msg_stime;              /* time of last msgsnd command */
  __time_t msg_rtime;              /* time of last msgrcv command */
  __time_t msg_ctime;              /* time of last change */
  unsigned long int __msg_cbytes;  /* 当前队列中消息的字节数 */
  msgqnum_t msg_qnum;              /* 当前队列中消息的个数 */
  msglen_t msg_qbytes;             /* 队列允许存放的最大字节数 */
  __pid_t msg_lspid;               /* pid of last msgsnd() */
  __pid_t msg_lrpid;               /* pid of last msgrcv() */

//下面是保留字段
#if __WORDSIZE == 32
  unsigned long int __unused1;
  unsigned long int __unused2;
  unsigned long int __unused3;
#endif
  unsigned long int __unused4;
  unsigned long int __unused5;
};

System V消息队列的创建和打开

System V消息队列的创建和使用会使用下面的函数接口：

#include <sys/msg.h>
int msgget(key_t key, int oflg);
                //成功返回非负消息队列描述符，失败返回-1

key：消息队列的键，用来创建一个消息队列。System IPC都有一个key，作为IPC的外部标识符，创建成功后返回的描述符作为IPC的内部标识符使用。key的主要目的就是使不同进程在同一IPC汇合。key具体说可以有三种方式生成：

不同的进程约定好的一个值；
通过相同的路径名和项目ID，调用ftok()函数，生成一个键；
还可以设置为IPC_PRIVATE，这样就会创建一个新的，唯一的IPC对象；然后将返回的描述符通过某种方式传递给其他进程；

oflg：指定创建或打开消息队列的标志和读写权限（ipc_perm中的mode成员）。我们知道System V IPC定义了自己的操作标志和权限设置标志，而且都是通过该参数传递，这和open函数存在差别，open函数第三个参数mode用于传递文件的权限标志。System V IPC的操作标志包含：IPC_CREAT，IPC_EXCL，权限设置标志如下图：

下面是创建消息队列的测试代码：

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <errno.h>

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/msg.h>

using namespace std;

#define  PATH_NAME "/tmp/anonymQueue"

int main(int argc, char **argv)
{
    key_t key;
    int fd;

    if ((fd = open(PATH_NAME, O_CREAT, 0666)) < 0)
    {
        cout<<"open file "<<PATH_NAME<<"failed.";
        cout<<strerror(errno)<<endl;
        return -1;
    }
    close(fd);

    key = ftok(PATH_NAME, 0);
    int msgID;

    if ((msgID = msgget(key, IPC_CREAT | 0666)) < 0)
    {
        cout<<"open message queue failed...";
        cout<<strerror(errno)<<endl;
        return -1;
    }

    cout<<"key:0x"<<hex<<key<<endl;
    cout<<"descriptor id:"<<dec<<msgID<<endl;
}

结果:

实现System V IPC的任何系统都提供两个特殊的程序ipcs和ipcrm。ipcs输出IPC的各种信息，ipcrm则用于删除各种System V IPC。由于System V IPC不属于POSIX标准，所以这两个命令也未被标准化。

System V消息队列的使用

System V消息队列的写入消息使用下面的函数接口：

#include <sys/msg.h>
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
                        //成功返回0，失败返回-1

msqid：消息队列的描述符；

msgp：指向存放消息的缓冲区，该缓冲区中包含消息类型和消息体两部分内容。该缓冲区的结构是由用户定义的，在<sys/msg.h>中有关于该缓冲区结构定义的参版考模

struct msgbuf
{
    long int mtype;             /* type of received/sent message */
    char mtext[1];              /* text of the message */
};

缓冲区的开头是一个long型的消息类型，该消息类型必须是一个非负数。紧跟在消息类型后面的是消息体部分（如果消息长度大于0），参考模版中定义的mtext只是说明消息体，该部分可以自定义长度。我们自己的应用都会定义特定的消息结构。

msgsz：缓冲区中消息体部分的长度；

msgflg：设置操作标志。可以为0，IPC_NOWAIT；用于在消息队列中没有可用的空间时，调用线程采用何种操作方式。

标志为IPC_NOWAIT，表示msgsnd操作以非阻塞的方式进行，在消息队列中没有可用的空间时，msgsnd操作会立刻返回。并指定EAGAIN错误；

标志为0，表示msgsnd操作以阻塞的方式进行，这种情况下在消息队列中没有可用的空间时调用线程会被阻塞，直到下面的情况发生：

等到有存放消息的空间；
消息队列从系统中删除，这种情况下回返回一个EIDRM错误；
调用线程被某个捕捉到的信号中断，这种情况下返回一个EINTR错误；

System V消息队列的读取消息使用下面的函数接口：

#include <sys/msg.h>
ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);
                      //成功返回接收到的消息的消息体的字节数，失败返回-1

msqid：消息队列的描述符；

msgp：指向待存放消息的缓冲区，该缓冲区中将会存放接收到的消息的消息类型和消息体两部分内容。该缓冲区的结构是由用户定义的，和msgsnd相对应。

msgsz：缓冲区中能存放消息体部分的最大长度，这也是该函数能返回的最大数据量；该字段的大小应该是sizeof(msg buffer) - sizeof(long)；

msgtyp：希望从消息队列中获取的消息类型。

msgtyp为0，返回消息队列中的第一个消息；
msgtyp > 0，返回该消息类型的第一个消息；
msgtyp < 0，返回小于或等于msgtyp绝对值的消息中类型最小的第一个消息；

msgflg：设置操作标志。可以为0，IPC_NOWAIT，MSG_NOERROR；用于在消息队列中没有可用的指定消息时，调用线程采用何种操作方式。

标志为IPC_NOWAIT，表示msgrcv操作以非阻塞的方式进行，在消息队列中没有可用的指定消息时，msgrcv操作会立刻返回，并设定errno为ENOMSG。

标志为0，表示msgrcv操作是阻塞操作，直到下面的情况发生：

消息队列中有一个所请求的消息类型可以获取；
消息队列从系统中删除，这种情况下回返回一个EIDRM错误；
调用线程被某个捕捉到的信号中断，这种情况下返回一个EINTR错误；

标志为MSG_NOERROR，表示接收到的消息的消息体的长度大于msgsz长度时，msgrcv采取的操作。如果设置了该标志msgrcv在这种情况下回截断数据部分，而不返回错误，否则返回一个E2BIG错误。

下面是关于消息队列读写的测试代码：

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <errno.h>

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/msg.h>

using namespace std;

#define  PATH_NAME "/tmp/anonymQueue"

key_t CreateKey(const char *pathName)
{
    int fd;

    if ((fd = open(PATH_NAME, O_CREAT, 0666)) < 0)
    {
        cout<<"open file "<<PATH_NAME<<"failed.";
        cout<<strerror(errno)<<endl;
        return -1;
    }

    close(fd);

    return ftok(PATH_NAME, 0);
}

int main(int argc, char **argv)
{
    key_t key;
    key = CreateKey(PATH_NAME);

    int msgID;
    if ((msgID = msgget(key, IPC_CREAT | 0666)) < 0)
    {
        cout<<"open message queue failed...";
        cout<<strerror(errno)<<endl;

        return -1;
    }

    if (fork() == 0)
    {
        char msg[] = "cute yuki...";
        char *msgBuf = new char[sizeof(long) + sizeof(msg)];
        long mtype = 1;

        memmove(msgBuf, &mtype, sizeof(mtype));
        memmove(msgBuf + sizeof(mtype), msg, sizeof(msg));

        for (int i = 1; i <= 5; ++i)
        {
            if (msgsnd(msgID, msgBuf, sizeof(msg), 0) < 0)
            {
                cout<<"send message "<<i<<"failed...";
                cout<<strerror(errno)<<endl;
                continue;
            }

            cout<<"child: send message "<<i<<" success..."<<endl;
            sleep(1);
        }

        exit(0);
    }

    char msgBuf[256];
    long mtype;
    int recvLen;

    for (int i = 1; i <= 5; ++i)
    {
        recvLen = msgrcv(msgID, msgBuf, 256 - sizeof(long), 0, 0);
        if (recvLen < 0)
        {
            cout<<"receive message failed...";
            cout<<strerror(errno)<<endl;
            continue;
        }

        memmove(&mtype, msgBuf, sizeof(long));

        cout<<"parent receive a message:"<<endl;
        cout<<"message type:"<<mtype<<endl;
        cout<<"message body:"<<msgBuf + sizeof(long)<<endl;
    }
    return 0;
}

System V消息队列的控制操作

对System V消息队列的删除，属性的设置和获取等控制操作要使用下面的函数接口：

[cpp] view plain copy print ?

#include <sys/msg.h>
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
//成功返回0，失败返回-1

msqid：消息队列的描述符；

cmd：控制操作的命令，SUS标准提供以下三个命令：

IPC_RMID，删除一个消息队列。执行该命令系统会立刻把该消息队列从内核中删除，该消息队列中的所有消息将会被丢弃。这和已经讨论过的POSIX消息队列有很大差别，POSIX消息队列通过调用mq_unlink来从内核中删除一个消息队列，但消息队列的真正析构会在最后一个mq_close结束后发生。
IPC_SET，根据buf的所指的值来设置消息队列msqid_ds结构中的msg_perm.uid，msg_perm.gid，msg_perm.mode，msg_qbytes四个成员。
IPC_STAT，通过buf返回当前消息队列的msqid_ds结构。
在Linux下还有例如IPC_INFO，MSG_INFO等命令，具体可以参考Linux手册；

buf：指向msqid_ds结构的指针；

下面是测试代码：

[cpp] view plain copy print ?