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 */
};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 */
};(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。
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
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
#include
#include
#include
#include
#include
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 "< 
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
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
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
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
#include
#include
#include
#include
#include
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 "< 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：
- #include
- 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：
- #include
- #include
- #include
- #include
- #include
- #include
- 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 "<
- cout<
- 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<
- return -1;
- }
- msqid_ds msgInfo;
- msgctl(msgID, IPC_STAT, &msgInfo);
- cout<<"msg_qbytes:"<
- cout<<"msg_qnum:"<
- cout<<"msg_cbytes:"<
- return 0;
- }
在Linux 2.6.18下的执行结果为：
- msg_qbytes:65536
- msg_qnum:2
- msg_cbytes:26
关于消息队列中允许存放最大的字节数可以通过IPC_SET命令进行修改，该修改只能针对本消息队列生效。如下测试代码：
- 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<
- return -1;
- }
- msqid_ds msgInfo;
- msgctl(msgID, IPC_STAT, &msgInfo);
- cout<<"msg_qbytes:"<
- cout<<"msg_qnum:"<
- cout<<"msg_cbytes:"<
- msgInfo.msg_qbytes = 6553600;
- if (msgctl(msgID, IPC_SET, &msgInfo) < 0)
- {
- cout<<"set message queue failed...";
- cout<
- return -1;
- }
- msgctl(msgID, IPC_STAT, &msgInfo);
- cout<<"msg_qbytes:"<
- cout<<"msg_qnum:"<
- cout<<"msg_cbytes:"<
- return 0;
- }
在Linux 2.6.18下的执行结果为：
- msg_qbytes:65536
- msg_qnum:0
- msg_cbytes:0
- msg_qbytes:6553600
- msg_qnum:0
- msg_cbytes:0
System V消息队列的内核限制
对System V IPC，系统往往会存在一些限制，对于消息队列，在Linux2.6.18中，系统内核存在以下限制：
- [root@idcserver program]# sysctl -a |grep msg
- kernel.msgmnb = 65536 //一个消息队列上允许的最大字节数
- kernel.msgmni = 16 //系统范围内允许存在的最大消息队列数
- kernel.msgmax = 65536 //每个消息的最大字节数
对于System V消息队列一般内核还有一个限制：系统范围内的最大消息数，在Linux下这个限制由msgmnb*msgmni决定。
上面已经说过可以通过IPC_SET来设置使用中的消息队列的最大字节数。但是要在系统范围内对内核限制进行修改，在Linux下面可以通过修改/etc/sysctl.conf内核参数配置文件，然后配合sysctl命令来对内核参数进行设置。例如下面示例：
- [root@idcserver program]#echo "kernel.msgmnb = 6553600" >>/etc/sysctl.conf
- [root@idcserver program]#echo "kernel.msgmni = 100" >>/etc/sysctl.conf
- [root@idcserver program]#echo "kernel.msgmax = 6553600" >>/etc/sysctl.conf
- [root@idcserver program]#sysctl -p
- [root@idcserver program]# sysctl -a |grep msg
- kernel.msgmnb = 6553600
- kernel.msgmni = 100
- kernel.msgmax = 6553600