linux进程间通信--消息队列相关函数（ftok）详解

ftok

消息队列、信号灯、共享内存常用在Linux服务端编程的进程间通信环境中。而此三类编程函数在实际项目中都是用System V IPC函数实现的。System V IPC函数名称和说明如下表15-1所示。

表15-1 System V IPC函数

	消息队列	信号灯	共享内存区
头文件
创建或打开IPC函数	msgget	semget	shmget
控制IPC操作的函数	msgctl	semctl	shmctl
IPC操作函数	msgsnd msgrcv	semop	shmat shmdt

1.   key_t键和ftok函数

函数ftok把一个已存在的路径名和一个整数标识符转换成一个key_t值，称为IPC键值（也称IPC key键值）。ftok函数原型及说明如下：

ftok（把一个已存在的路径名和一个整数标识符转换成IPC键值）

所需头文件	#include #include
函数说明	把从pathname导出的信息与id的低序8位组合成一个整数IPC键
函数原型	key_t ftok(const char *pathname, int proj_id)
函数传入值	pathname：指定的文件，此文件必须存在且可存取
	proj_id：计划代号（project ID）
函数返回值	成功：返回key_t值（即IPC 键值）
	出错：-1，错误原因存于error中
附加说明	key_t一般为32位的int型的重定义

ftok的典型实现是调用stat函数，然后组合以下三个值：
①    pathname所在的文件系统的信息（stat结构的st_dev成员）。
②    该文件在本文件系统内的索引节点号(stat结构的st_ino成员)。
③    proj_id的低序8位（不能为0）。
上述三个值的组合产生一个32位键。

2.   ftok函数代码举例

ftok.c源代码如下：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main(int argc, char **argv)
{
    struct stat stat1 ;
    if ( argc != 2 )
    {
        printf("usage: ftok < pathname >" ) ;
        exit(1) ;
    }
    stat( argv[1], &stat1 ) ;
    printf("st_dev:%lx, st_ino:%lx, key:%x\n",  \
(unsigned long)stat1.st_dev, (unsigned long)stat1.st_ino , ftok(argv[1],0x579 )) ;
    printf("st_dev:%lx, st_ino:%lx, key:%x\n",  \
(unsigned long)stat1.st_dev, (unsigned long)stat1.st_ino , ftok(argv[1],0x118 )) ;
    printf("st_dev:%lx, st_ino:%lx, key:%x\n",  \
(unsigned long)stat1.st_dev, (unsigned long)stat1.st_ino , ftok(argv[1],0x22 )) ;
    printf("st_dev:%lx, st_ino:%lx, key:%x\n",  \
(unsigned long)stat1.st_dev, (unsigned long)stat1.st_ino , ftok(argv[1],0x33 )) ;
    exit(0) ;
}

编译 gcc ftok.c –o ftok
运行 ./ftok /tmp，执行结果如下：

st_dev:801, st_ino:4db21, key:7901db21
st_dev:801, st_ino:4db21, key:1801db21
st_dev:801, st_ino:4db21, key:2201db21
st_dev:801, st_ino:4db21, key:3301db21
st_dev:801, st_ino:4db21, key:4401db21

从上面程序可以看出，通过ftok返回的是根据文件（pathname）信息和计划编号（proj_id）合成的IPC key键值，从而避免用户使用key值的冲突。proj_id值的意义让一个文件也能生成多个IPC key键值。ftok利用同一文件最多可得到IPC key键值0xff（即256）个，因为ftok只取proj_id值二进制的后8位，即16进制的后两位与文件信息合成IPC key键值。

3.   IPC键值与IPC标识符

（1）key值选择方式

对于key值，应用程序有如下三种选择：
①    调用ftok，给它传递pathname和proj_id，操作系统根据两者合成key值。
②    指定key为IPC_PRIVATE，内核保证创建一个新的、唯一的IPC对象，IPC标识符与内存中的标识符不会冲突。IPC_PRIVATE为宏定义，其值等于0。
③    指定key为大于0的常数，这需要用户自行保证生成的IPC key值不与系统中存在的冲突，而前两种是操作系统保证的。

（2）IPC标识符

给semget、msgget、shmget传入key值，它们返回的都是相应的IPC对象标识符。注意IPC键值和IPC标识符是两个概念，后者是建立在前者之上。图15-1画出了从IPC键值生成IPC标识符图，其中key为IPC键值，由ftok函数生成；ipc_id为IPC标识符，由semget、msgget、shmget函数生成。ipc_id在信号量函数中称为semid，在消息队列函数中称为msgid，在共享内存函数中称为shmid，它们表示的是各自IPC对象标识符。

图15-1 从IPC键值生成IPC标识符图

4. ipc_perm结构说明

系统为每一个IPC对象保存一个ipc_perm结构体，该结构说明了IPC对象的权限和所有者，并确定了一个IPC操作是否可以访问该IPC对象。

struct ipc_perm {
     key_t   key ;          /* 此IPC对象的key键 */
uid_t   uid ;          /* 此IPC对象用户ID */
gid_t   gid ;          /* 此IPC对象组ID */
uid_t   cuid ;         /* IPC对象创建进程的有效用户ID */
gid_t   cgid ;         /* IPC对象创建进程的有效组ID */
mode_t   mode ;        /* 此IPC的读写权限 */
ulong_t  seq ;         /* IPC对象的序列号 */
} ;

表15-2列出了ipc_perm中mode的含义，其含义与文件访问权限相似。当调用IPC对象创建函数（semget、msgget、shmget）时，会对ipc_perm结构变量的每一个成员赋值，其中mode的值来源于IPC对象创建函数最右边的形参flag（msgget中为msgflg、semget中为semflg、shmget中shmflg）。如需修改这几个成员变量则需调用相应的控制函数（msgctl、semctl、shmctl）。        
表15-2 IPC对象存取权限表

ipc_perm中mode的含义
操作者	读	写	可读可写
用户	0400	0200	0600
组	0040	0020	0060
其他	0004	0002	0006

5.  IPC对象的创建权限

    msgget、semget、shmget函数最右边的形参flag（msgget中为msgflg、semget中为semflg、shmget中shmflg）为IPC对象创建权限，三种xxxget函数中flag的作用基本相同。
IPC对象创建权限(即flag）格式为0xxxxx，其中0表示8位制，低三位为用户、属组、其他的读、写、执行权限(执行位不使用)，其含义与ipc_perm的mode相同，具体含义见表15-2。在这里姑且把IPC对象创建权限格式的低三位称为“IPC对象存取权限”。如0600代表只有此用户下的进程才有可读可写权限。IPC对象存取权限常与下面IPC_CREAT、IPC_EXCL两种标志进行或（|）运算完成对IPC对象创建的管理，在这里姑且把IPC_CREAT、IPC_EXCL两种标志称为IPC创建模式标志。下面是两种创建模式标志在头文件中的宏定义。

#define IPC_CREAT    01000    /* Create key if key does not exist. */
#define IPC_EXCL     02000     /* Fail if key exists.  */

综上所述，flag标志由两部分组成，一为IPC对象存取权限（含义同ipc_perm中的mode）,一为IPC对象创建模式标志（IPC_CREAT、IPC_EXCL），两者进行|运算合成IPC对象创建权限。

6. 创建或打开IPC对象流程图

semget、msgget、shmget函数的作用是创建一个新的IPC对象或者访问一个已存在的IPC对象。其创建或访问的规则如下：
①    指定key为IPC_PRIVATE操作系统保证创建一个唯一的IPC对象。
②    设置flag参数的IPC_CREAT位但不设置它的IPC_EXCL位时，如果所指定key键的IPC对象不存在，那就是创建一个新的对象；否则返回该对象。
③    同时设置flag的IPC_CREAT和IPC_EXCL位时，如果所指定key键的IPC对象不存在，那就创建一个新的对象；否则返回一个EEXIST错误，因为该对象已存在。
综上所述，flag创建模式标志的作用如下表15-3所示。
表15-3 三种xxxget函数flag的创建模式标志作用表

flag创建模式标志	不存在	已存在
无特殊标志	出错，errno=ENOENT	成功，引用已存在对象
IPC_CREAT	成功，创建新对象	成功，引用已存在对象
IPC_CREAT|IPC_EXCL	成功，创建新对象	出错，errno=EEXIST

下图15-2画出了semget、msgget、shmget创建或打开一个IPC对象的逻辑流程图，它说明了内核创建和访问IPC对象的流程。

图15-2 semget、msgget、shmget创建或打开一个IPC对象的逻辑流程图
     使用semget、msgget、shmget创建一个IPC对象时，需要指定flag标志，在key不等于IPC_PRIVATE情况下，flag标志决定了创建方式和创建后IPC对象的存取权限。在key等于IPC_PRIVATE情况下，flag标志决定了创建后IPC对象的存取权限。如果只是引用一个已经存在的IPC对象只需把flag标志设为0即可。

有关该函数的三个常见问题：

1.pathname是目录还是文件的具体路径，是否可以随便设置
2.pathname指定的目录或文件的权限是否有要求
3.proj_id是否可以随便设定，有什么限制条件

解答：

   1、ftok根据路径名，提取文件信息，再根据这些文件信息及project ID合成key，该路径可以随便设置。
    2、该路径是必须存在的，ftok只是根据文件inode在系统内的唯一性来取一个数值，和文件的权限无关。
    3、proj_id是可以根据自己的约定，随意设置。这个数字,有的称之为project ID; 在UNIX系统上,它的取值是1到255;

关于ftok()函数的一个陷阱

     在使用ftok()函数时，里面有两个参数，即fname和id，fname为指定的文件名，而id为子序列号，这个函数的返回值就是key，它与指定的文件的索引节点号和子序列号id有关，这样就会给我们一个误解，即只要文件的路径，名称和子序列号不变，那么得到的key值永远就不会变。
     事实上，这种认识是错误的，想想一下，假如存在这样一种情况：在访问同一共享内存的多个进程先后调用ftok()时间段中，如果fname指向的文件或者目录被删除而且又重新创建，那么文件系统会赋予这个同名文件新的i节点信息，于是这些进程调用的ftok()都能正常返回，但键值key却不一定相同了。由此可能造成的后果是，原本这些进程意图访问一个相同的共享内存对象，然而由于它们各自得到的键值不同，实际上进程指向的共享内存不再一致；如果这些共享内存都得到创建，则在整个应用运行的过程中表面上不会报出任何错误，然而通过一个共享内存对象进行数据传输的目 的将无法实现。
      这是一个很重要的问题，希望能谨记！！！
     所以要确保key值不变，要么确保ftok()的文件不被删除，要么不用ftok()，指定一个固定的key值。

摘录自《深入浅出Linux工具与编程》