Linux C语言 40-进程间通信IPC之消息队列

Linux C语言 40-进程间通信IPC之消息队列

本节关键字：C语言 System V IPC 进程间通信 消息队列
相关库函数：ftok、msgget、msgsnd、msgrcv、msgctl

什么是消息队列？

消息队列是System V中的一种进程间通信机制（如管道、信号量、共享内存等），在Linux系统中，消息队列本质上是内核维护的一块内存。

消息队列的特点

• 消息队列优化了管道的FIFO（First In，First Out）、亲属进程、半双工以及单对单通信的缺点；
• 消息队列中的消息是有类型的，可以更快的取出想要的数据；
• 消息队列中的消息是有格式的，发送消息时需要按照一定的格式组数据报；
• 消息队列可以实现消息的随机查询，没有先进先出的限制，可以按照消息的类型读取；
• 消息队列允许一个或多个进程写入或读取消息；
• 消息队列中消息被读出后会被删除；
• 消息队列拥有唯一的标识符；
• 消息队列在创建后，只有人工删除或内核重启时才会被删除，否则被创建的消息队列会一直存在与操作系统中；
• 消息队列中每条消息的长度最多为8K字节；
• 消息队列的容量最多为16K字节；
• 消息队列在操作系统中共存的数量最多为1609个；
• 操作系统中消息的共存数量最多为16384个；

Trip：单个进程中消息队列的限制可以使用命令 ulimit -a 进行查看。

消息队列相关库函数

创建消息队列

#include 
#include 
#include 

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
/**
@brief ftok()函数使用给定文件的路径名命名标识（必须引用现有的可访问文件）和proj_id的最低有效位8（必须为非零）来生成key_t类型的System V IPC密钥，该密钥适用于msgget(2)、semget(2)或shmget(2)。
当使用相同的proj_id值时，命名相同文件的所有路径名的结果值都是相同的。当（同时存在的）文件或项目ID不同时，返回的值应该不同。
@param pathname 指定文件的路径名（必须引用现有的可访问文件）
@param proj_id 用来生成System V IPC密钥，低八位必须不为零。当使用相同的proj_id值时，命名相同文件的所有路径名的结果值都相同。当文件或proj_id不同时，返回的值应该不同。
@return 成功返回生成的key_t值。失败返回-1，并设置错误码errno
*/

int msgget(key_t key, int msgflg);
/**
@brief 获取消息队列标识符。msgget()系统调用返回与参数key值相关联的消息队列标识符。
@param key 消息队列的System V IPC密钥。以下两种情况会创建新的消息队列：
	当key值为IPC_PRIVATE时，创建消息队列；
	当key不是IPC_PRIVATE时，不存在密钥与给定key值相同的消息队列，并且在msgflg中指定了IPC_CREAT，则会创建新的消息队列。
@param msgflg 消息队列的权限值，与mode_t一样（没有可执行权限），相关宏如下：
	IPC_CREATE  创建消息队列
	IPC_EXCL    检测消息队列是否存在
@return 成功返回消息队列的标识符，失败返回-1，并设置错误码errno

错误码errno类型：
EACCES        存在密钥为key的消息队列，但调用进程没有访问该队列的权限，并且不具有CAP_IPC_OWNER功能。
EEXIST        存在同时指定IPC_CREAT和IPC_EXCL的密钥和消息flg的消息队列。
ENOENT        不存在密钥为key的消息队列，并且msgflg未指定IPC_CREAT。
ENOMEM        必须创建一个消息队列，但系统没有足够的内存用于新的数据结构。
ENOSPC        必须创建消息队列，但将超过消息队列最大数量（MSGMNI）的系统限制。

Trip：IPC_PRIVATE不是标志字段，而是key_t类型。如果这个特殊值用于key，则系统调用将忽略除msgflg的最低有效9位之外的所有内容，并创建一个新的消息队列。
*/

查看消息队列

消息队列的查看可以在命令行完成，在消息队列创建成功后，可以使用命令 ipcs 进行查看，ipcs命令的使用参数如下：
-m 查看系统共享内存信息
-q 查看系统消息队列信息
-s 查看系统信号量信息
-a 显示系统内所有的IPC信息

如果要手动删除指定的IPC可以使用 ipcrm [-msq] id 命令完成，ipcrm 命令的使用参数如下：
-m 移除指定的共享内存，例：ipcrm -m shmid
-s 移除指定的信号量，例：ipcrm -m semid
-q 移除指定的消息队列，例：ipcrm -m msgid

消息队列的消息格式

// Trip：消息类型必须是长整型，且必须是结构体中的第一个成员，消息正文可以有多个任意类型的成员。

typedef struct _msg
{
	long mtype;        	// 消息类型，必须大于0
	char mtext[100];    // 消息正文
	int  mage;        	// 消息正文
	...            		// 消息正文可以有多个任意类型的成员
} MSG;

向消息队列发送消息

Trip: msgsnd()被终端后永远不会自动重新启动。

#include 
#include 
#include 
int msgsnd(int msgid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
/**
@brief msgsnd()系统调用向消息队列发送消息，调用进程必须对消息队列具有写权限才能发送消息。msgsnd()系统调用将msgp指向的消息的副本附加到由msgid指定标识符的消息队列中。如果队列中有足够的可用空间，则msgsnd()会立即成功。（队列容量由消息队列的相关数据结构中的msg_bytes字段定义。在创建队列期间，此字段初始化为MSGMNB字节，但可以使用msgctl(2)修改此限制。）如果队列中的可用空间不足，则msgsnd()的默认行为是阻塞，直到空间变为可用。如果在msgflg中指定了IPC_NOWAIT，则调用会失败并返回错误EAGAIN。
@param msgid 消息队列的标识符，表示要向哪个消息队列发送消息
@param msgp 指向调用方定义的结构，结构格式如上述消息队列的消息格式一样
@param msgsz 是一个非负整数，指定msgp结构中mtext字段的大小，结构中mtext字段是一个数组（或其它结构），允许长度为0的消息。
@param msgfg 控制属性，0阻塞发送，直到消息队列由足够的空间去发送msgp指向的消息；IPC_NOWAIT若消息没有立即发送则调用该函数的进程会立即返回
@return 成功返回0，失败返回-1，并设置错误码errno

Trip：阻塞的msgsnd()调用也可能失败，原因如下：
消息队列被删除，这种情况下msgsnd()系统调用失败，errno被设置为EIDRM；
捕获一个信号，这种情况下msgsnd()系统调用失败，errno被设置为EINTR，且不管是否设置了SA_RESTART标志，msgsnd()被中断后都不会自动重新启动；

错误码errno类型：
EACCES        调用进程没有对消息队列的写入权限，也没有CAP_IPC_OWNER功能。
EAGAIN        由于队列的msg_qbytes限制，无法发送消息，并且在msgflg中指定了IPC_NOWAIT。
EFAULT        无法访问msgp指向的地址。
EIDRM        消息队列已删除。
EINTR        在消息队列已满的情况下休眠，进程捕获到一个信号。
EINVAL        无效的msqid值、非正的mtype值或无效的msgsz值（小于0或大于系统值MSGMAX）。
ENOMEM        系统内存不足，无法复制msgp指向的消息。
*/

从消息队列读取消息

以下消息队列资源限制会影响msgsnd（）调用：

MSGMAX 消息文本的最大大小：8192字节（在Linux上，可以通过/proc/sys/kernel/MSGMAX读取和修改此限制）
MSGMNB 消息队列的默认最大字节大小：16384字节（在Linux上，可以通过/proc/sys/kernel/MSGMNB读取和修改此限制）。超级用户可以通过msgctl(2)系统调用将消息队列的大小增加到MSGMNB之外。

该实现对消息头的系统范围最大数量（MSGTQL）和消息池的系统范围以字节为单位的最大大小（MSGPOOL）没有内在限制。

#include 
#include 
#include 
ssize_t msgrcv(int msgid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);
/**
@brief msgrcv()系统调用从消息队列读取消息，调用进程具有读权限才能接收消息
@param msgid 消息队列的标识符，表示要从哪个消息队列中获取消息
@param msgp 指向存放消息结构体的地址
@param msgsz 消息正文的字节数
@param msgtyp 必须是一个正整数，由接收进程用于消息选择。=0读取消息队列中的第一个消息；>0读取消息队列中消息类型为msgtyp的消息；<0读取消息队列中消息类型值小于或等于msgtyp绝对值的消息，如果有多个，则读取类型值最小的消息。若消息队列中有多种类型的消息，msgrcv获取消息的时候按消息类型获取，不是先进先出的。
在获取某类型消息的时候，若队列中有多条此类型的消息，则获取最先添加的消息，即先进先出原则。
@param msgfg 控制属性。0 阻塞读取，直到成功读取到消息；MSG_NOERROR 若返回的消息字节数比msgsz多，则会被截断且不通知消息发送进程；IPC_NOWAIT 若没有读取到消息立即返回；MSG_EXCEPT 与大于0的msgtyp一起使用，读取队列中消息类型与msgtyp不同的第一条消息。
@return 成功返回0，失败返回-1，并设置错误码errno

Trip：执行成功后，msg_lrpid设置为调用进程的进程ID；msg_qnum递减1；msg_rtime设置为当前时间。

错误码errno类型：
E2BIG        消息文本长度大于msgsz，并且未在msgflg中指定MSG_NOERROR。
EACCES        调用进程没有对消息队列的读取权限，也没有CAP_IPC_OWNER功能。
EAGAIN        队列中没有可用的消息，并且在msgflg中指定了IPC_NOWAIT。
EFAULT        无法访问msgp指向的地址。
EIDRM        当进程正在休眠以接收消息时，消息队列已被删除。
EINTR        当进程正在休眠以接收消息时，进程捕获到一个信号；参见signal(7)。
EINVAL        msgqid无效，或者msgsz小于0。
ENOMSG        在msgflg中指定了IPC_NOWAIT，并且消息队列中不存在请求类型的消息。
*/

控制消息队列

ipcs(8)程序使用IPC_INFO、MSG_STAT和MSG_INFO操作来提供有关所分配资源的信息。将来，这些文件可能会被修改或移动到/proc文件系统接口。

#include 
#include 
#include 

struct msginfo 
{
    int msgpool; // 用于保存消息数据的缓冲池的大小（以千字节为单位）；内核中未使用
    int msgmap;  // 消息映射中的最大条目数；内核中未使用
    int msgmax;  // 单个消息中可写入的最大字节数
    int msgmnb;  // 可以写入队列的最大字节数；用于在创建队列期间初始化msg_qbytes（msgget(2)）
    int msgmni;  // 最大消息队列数
    int msgssz;  // 消息段大小；内核中未使用
    int msgtql;  // 系统中所有队列上的最大消息数；内核中未使用
    unsigned short int msgseg; // 最大分段数；内核中未使用
};

struct ipc_perm 
{
    key_t          __key;       // 提供给msgget(2)的密钥
    uid_t          uid;         // 所有者的有效UID
    gid_t          gid;         // 所有者的有效GID
    uid_t          cuid;        // 创建者的有效UID
    gid_t          cgid;        // 创建者的有效GID
    unsigned short mode;        // 访问权限
    unsigned short __seq;       // 序列号码
};

struct msqid_ds 
{
    struct ipc_perm msg_perm;     // 所有权和权限
    time_t          msg_stime;    // 最后成功调用msgsnd()的时间
    time_t          msg_rtime;    // 最后成功调用msgrcv()的时间
    time_t          msg_ctime;    // 最后更改的时间
    unsigned long   __msg_cbytes; // 队列中的当前字节数（非标准）
    msgqnum_t       msg_qnum;     // 队列中的当前消息数
    msglen_t        msg_qbytes;   // 队列中允许的最大字节数
    pid_t           msg_lspid;    // 最后调用msgsnd()的进程PID
    pid_t           msg_lrpid;    // 最后调用msgrcv()的进程PID
};
int msgctl(int msgid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
/**
@brief msgctl()对标识符为msqid的消息队列执行cmd指定的控制操作，如修改消息队列的属性、删除消息队列等
@param msgid 消息队列的标识符，表示要控制哪个消息队列
@param cmd 需要执行的命令，可选值如下：
	IPC_STAT 将信息从与msqid相关联的内核数据结构复制到buf指向的msqid_ds结构中。调用方必须具有对消息队列的读取权限。
	IPC_SET  将buf指向的msqid_ds结构的一些成员的值写入与此消息队列相关联的内核数据结构，同时更新其msg_ctime成员。结构的以下成员将更新：msg_qbytes、msg_perm.uid、msg_pterm.gid和（的最低有效9位）msg_perm.mode。调用进程的有效UID必须与消息队列的所有者（msg_perm.UID）或创建者（msg_pterm.cuid）匹配，或者调用方必须具有特权。将msg_qbytes值提升到系统参数MSGMNB之外需要适当的权限（Linux：CAP_IPC_RESOURCE功能）。
	IPC_RMID 立即删除消息队列，唤醒所有等待的读写器进程（返回错误并将errno设置为EIDRM）。调用进程必须具有适当的权限，或者其有效的用户ID必须是消息队列的创建者或所有者的ID。
	IPC_INFO 返回有关系统范围的消息队列限制和buf指向的结构中的参数的信息。如果定义了_GNU_SOURCE功能测试宏，则此结构的类型为msginfo（因此，需要强制转换），在中定义：实际内容如上方展示的struct msginfo;
	MSG_INFO （特定于Linux）返回一个msginfo结构，该结构包含与IPC_INFO相同的信息，只是返回以下字段，其中包含有关消息队列消耗的系统资源的信息：msgpool字段返回系统上当前存在的消息队列数；msgmap字段返回系统上所有队列中的消息总数；msgtql字段返回系统上所有队列中所有消息的总字节数。
	MSG_STAT （特定于Linux）返回与IPC_STAT相同的msqid_ds结构。但是，msqid参数不是队列标识符，而是内核内部数组的索引，用于维护系统上所有消息队列的信息。
@param buf msqid_ds数据类型的地址，用来存放或更改消息队列的属性
@return 成功后，IPC_STAT、IPC_SET和IPC_RMID返回0。成功的IPC_INFO或MSG_INFO操作返回内核内部数组中使用次数最多的条目的索引，该数组记录了有关所有消息队列的信息。（此信息可与重复的MSG_STAT操作一起使用，以获得有关系统上所有队列的信息。）成功的MSG_TAT操作将返回索引在msqid中给出的队列的标识符。失败返回-1，并设置错误码errno

错误码errno类型：
EACCES        参数cmd等于IPC_STAT或MSG_STAT，但调用进程对消息队列msqid没有读取权限，也不具有CAP_IPC_OWNER功能。
EFAULT        参数cmd的值为IPC_SET或IPC_STAT，但buf指向的地址不可访问。
EIDRM        消息队列已删除。
EINVAL        cmd或msqid的值无效。或者：对于MSG_STAT操作，msqid中指定的索引值引用了当前未使用的数组槽。
EPERM        参数cmd的值为IPC_SET或IPC_RMID，但调用进程的有效用户ID不是消息队列的创建者（在msg_perm.cuid中找到）或所有者（在msg_prerm.uid中找到），并且该进程没有特权（Linux：它不具有CAP_SYS_ADMIN功能）。
*/

消息队列的使用例程

/// 待补充

提示：先做内容框架梳理，后期进行完善补充！