linux应用 进程间通信之消息队列(System V)

1、定义

System V消息队列是传统的Linux消息队列机制，它使用一组系统调用来创建、发送和接收消息。它的特点是可以在不同进程之间共享消息队列，但是在使用时需要手动管理消息队列的创建和删除。

优点：

• 可以实现异步通信：发送进程将消息放入消息队列后即可继续执行，不需要等待接收进程的响应，接收进程可以在合适的时候去读取消息。
• 支持多对多通信：多个进程可以同时向同一个消息队列发送消息，多个进程也可以同时从同一个消息队列接收消息。
• 可以实现进程解耦：发送进程和接收进程之间通过消息队列通信，不需要直接的共享内存或者使用管道等方式，从而实现了进程解耦。
• 消息队列中的消息可以按照优先级进行处理，这样可以实现一些特殊的消息处理逻辑。

缺点：

• 消息队列是基于内核的，因此涉及到用户态和内核态的切换，可能会引入一定的性能开销。
• 消息队列的容量有限，当消息队列满了之后，发送进程将无法再发送消息，接收进程也无法再接收消息，可能会引发消息丢失的问题。
• System V消息队列是Linux特有的IPC机制，因此在不同的操作系统上可能不具备可移植性。

2、常用接口介绍

2.1 编程常用接口和数据结构

2.1.1 ftok函数

ftok函数用于生成一个System V IPC对象（如消息队列、共享内存等）的key。它将pathname和proj_id组合起来，生成一个唯一的key，用于标识一个System V IPC对象。

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

• 入参：pathname是一个路径名，proj_id是一个用户指定的整数。
• 返回值：返回一个基于pathname和proj_id生成的key。

2.2.2 msgget 函数

msgget函数用于创建一个新的消息队列或者获取一个已存在的消息队列。它接受一个key和一些标志作为参数。

int msgget(key_t key, int msgflg);

• 入参：key是一个由ftok函数生成的key，msgflg是消息队列的权限标志。
• 返回值：成功时返回消息队列的标识符（非负整数），失败时返回-1。

2.2.3 msgsnd 函数

msgsnd函数用于向指定的消息队列中发送消息。它接受消息队列的标识符、消息缓冲区的指针、消息的大小和发送标志作为参数。

int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);

• 入参：msqid是消息队列的标识符，msgp是指向消息缓冲区的指针，msgsz是消息的大小，msgflg是消息发送的标志。
• 返回值：成功时返回0，失败时返回-1。

2.2.4 msgrcv 函数

msgrcv函数用于从指定的消息队列中接收消息。它接受消息队列的标识符、消息缓冲区的指针、消息的大小、消息的类型和接收标志作为参数。

ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);

• 入参：msqid是消息队列的标识符，msgp是指向消息缓冲区的指针，msgsz是消息的大小，msgtyp是消息的类型，msgflg是消息接收的标志。
• 返回值：成功时返回接收到的消息的大小，失败时返回-1。

2.2.5 msgctl 函数

msgctl函数用于控制消息队列，可以用来删除消息队列、获取消息队列的状态信息等。它接受消息队列的标识符、控制命令和消息队列数据结构的指针作为参数，根据控制命令的不同执行相应的操作。

int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

• 入参：msqid是消息队列的标识符，cmd是控制命令，buf是指向消息队列数据结构的指针。
• 返回值：成功时返回0，失败时返回-1。

其中cmd取值如下：

• IPC_STAT：获取消息队列的状态信息。
• IPC_SET：设置消息队列的状态信息。
• IPC_RMID：删除消息队列。

其中struct msqid_ds 定义如下：

struct msqid_ds {
    struct ipc_perm msg_perm;    /* 消息队列的权限信息 */
    time_t msg_stime;            /* 上次发送消息的时间 */
    time_t msg_rtime;            /* 上次接收消息的时间 */
    time_t msg_ctime;            /* 上次变更状态的时间 */
    unsigned long __msg_cbytes;  /* 队列中的字节数 */
    msgqnum_t msg_qnum;          /* 队列中的消息数 */
    msglen_t msg_qbytes;         /* 队列的最大字节数 */
    pid_t msg_lspid;             /* 最后发送消息的进程ID */
    pid_t msg_lrpid;             /* 最后接收消息的进程ID */
};

2.2.6 关于msgflg

IPC_CREAT

• 作用：如果消息队列不存在，则创建一个新的消息队列。
• 示例：msgget(key, IPC_CREAT | 0666)

IPC_EXCL

• 作用：与IPC_CREAT一起使用时，如果消息队列已经存在，则返回错误。
• 示例：msgget(key, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666)

IPC_NOWAIT

• 作用：在发送消息时，如果消息队列已满，则立即返回错误，而不是阻塞等待消息队列可用。
• 示例：msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg), IPC_NOWAIT)

IPC_PRIVATE

• 作用：用于创建一个唯一的消息队列标识符，通常不与msgget一起使用，而是作为msqid_ds结构体的msg_perm.__seq字段的默认值。
• 示例：msgget(IPC_PRIVATE, 0666)

2.2 控制台常用命令

2.2.1 ipcs

ipcs命令用于显示系统中的IPC资源信息，包括消息队列、共享内存和信号量。-q选项表示只显示消息队列的信息：

ipcs -q

2.2.2 ipcrm

ipcrm -Q ：pcrm命令用于删除IPC资源，包括消息队列、共享内存和信号量。-Q选项表示删除消息队列，是消息队列的标识符：

ipcrm -Q 12345

3、编程示例

测试代码如下：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define MSG_SIZE 128
#define MSG_FILE_PATH "/home/msgq"

struct msg_buffer {
    long msg_type;
    char msg_text[MSG_SIZE];
};

int main(int argc, char *argv[]) 
{
    int msqid;
    struct msg_buffer message = {0};
    key_t key;
    
    // 文件不存在则创建文件
    if (-1 == access(MSG_FILE_PATH, F_OK))
    {
        system("touch "MSG_FILE_PATH);
    }

    // 获取key
    if((key = ftok(MSG_FILE_PATH, 'a')) < 0)
    {
        return 0;
    }

    // 命令行参数 
    // 第一个参数 0表示发送 1表示接收 2表示删除
    // 第二个参数 0表示测试一次 1表示while循环测试
    if (argc != 3) 
    {
        printf("Usage: %s 0|1|2", argv[0]);
        return 0;
    }

    if (!strcmp(argv[1], "0"))
    {
        do
        {
            // 发送消息
            msqid = msgget(key, 0666 | IPC_CREAT);
            message.msg_type = 1;
            strcpy(message.msg_text, "Hello, this is a message.");
            msgsnd(msqid, &message, sizeof(message.msg_text), 0);
            printf("^^^ send ^^^\r\n msqid = %d\r\n type:%ld \r\n data:%s\n", msqid, message.msg_type, message.msg_text);
            sleep(3);
        }
        while(atoi(argv[2]));

    } 
    else if (!strcmp(argv[1], "1")) 
    {
        // 接收消息
        do
        {
            msqid = msgget(key, 0666);
            msgrcv(msqid, &message, sizeof(message.msg_text), 1, 0);
            printf("^^^ received ^^^\r\n msqid = %d\r\n type:%ld \r\n data:%s\n", msqid, message.msg_type, message.msg_text);
        }
        while(atoi(argv[2]));

    } 
    else if (!strcmp(argv[1], "2")) 
    {
        // 删除消息
        msqid = msgget(key, 0666);
        msgctl(msqid, IPC_RMID, NULL);
        printf("^^^ delete ok ^^^\r\n");
    }
    else 
    {
        printf("Invalid command\n");
        return 1;
    }

    return 0;
}

根据执行程序命令行参数不同执行不同操作，第一个参数0表示发送，1表示读取，2表示删除，第二个参数0表示不用while循环，1表示启用循环，首先执行两次不启用while的发送操作：

再执行两次接收操作可以查看到消息已经被接收完毕：

执行删除操作可以看到消息队列被删除掉：

开启两个终端，启用while循环开启进程间通信的测试，可以看到发送端每3秒发送数据，接收端接收正常：

4、总结

本文阐述了进程间通信之消息队列(System V)的定义，列举了编程中使用的接口和linux命令，编写了测试用例测试相关功能。