Linux进程间通信(IPC)编程实践（三） 详解System V消息队列(1)

消息队列简介

消息队列提供了一个从一个进程向另外一个进程发送一块数据的方法（本机）;每个数据块都被认为是有一个类型，接收者进程接收的数据块可以有不同的类型值。消息队列也有管道一样的不足:

 (1)每个消息的最长字节数的上限（MSGMAX）;

 (2)系统中消息队列的总条数也有一个上限（MSGMNI）;

 (3)每个消息队列所能够保存的总字节数是有上限的（MSGMNB） .

 消息队列与管道的区别：最主要的区别是管道通信是要求两个进程之间要有亲缘关系，只能承载无格式的字节流，而消息队列当中，通信的两个进程之间可以是完全无关的进程，它是有格式的（可类比TCP\UDP）。至于它与有名管道的区别，首先FIFO是要存储在磁盘上的一种通信方式，而消息队列是在内存中的。

查看系统中的三个限制的上限：

IPC对象数据结构

//内核为每个IPC对象维护一个数据结构  
struct ipc_perm  
{  
    key_t          __key;       /* Key supplied to msgget(2) */  
    uid_t          uid;         /* Effective UID of owner */  
    gid_t          gid;         /* Effective GID of owner */  
    uid_t          cuid;        /* Effective UID of creator */  
    gid_t          cgid;        /* Effective GID of creator */  
    unsigned short mode;        /* Permissions */  
    unsigned short __seq;       /* Sequence number */  
};  

//消息队列特有的结构  
struct msqid_ds  
{  
    struct ipc_perm msg_perm;     /* Ownership and permissions 各类IPC对象所共有的数据结构*/  
    time_t          msg_stime;    /* Time of last msgsnd(2) */  
    time_t          msg_rtime;    /* Time of last msgrcv(2) */  
    time_t          msg_ctime;    /* Time of last change */  
    unsigned long   __msg_cbytes; /* Current number of bytes in queue (nonstandard) 消息队列中当前所保存的字节数 */  
    msgqnum_t       msg_qnum;     /* Current number of messages in queue 消息队列中当前所保存的消息数 */  
    msglen_t        msg_qbytes;   /* Maximum number of bytes allowed in queue 消息队列所允许的最大字节数 */  
    pid_t           msg_lspid;    /* PID of last msgsnd(2) 最后一个发送数据的进程号*/  
    pid_t           msg_lrpid;    /* PID of last msgrcv(2) 最后一个接受的进程号*/  
};  

消息队列在内核中的表示

消息在消息队列中是以链表形式组织的, 每个节点的类型类似如下:

struct msq_Node  
{  
    Type msq_type;  //类型  
    Length msg_len; //长度  
    Data msg_data;  //数据  
  
    struct msg_Node *next;  
};  

消息队列的基本API

#include <sys/types.h>  
#include <sys/ipc.h>  
#include <sys/msg.h>  
int msgget(key_t key, int msgflg);  
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);  
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);  
ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg); 

本节先介绍前2个API，发送和接受消息的API请参考下篇博客。

msgget

int msgget(key_t key, int msgflg);  

参数:

  key: 某个消息队列的名字

  msgflg:由九个权限标志构成,如0644,它们的用法和创建文件时使用的mode模式标志是一样的(但是消息队列没有x(执行)权限)

返回值:

  成功返回消息队列编号，即该消息队列的标识码；失败返回-1

接下来我们举几个实例来看一下创建消息队列的不同操作及其结果：

/** 示例1: 在msgflg处指定IPC_CREAT, 如果不存在该消息队列, 则创建之**/  
int main(int argc, char *argv[])  
{  
    //指定IPC_CREAT,如果不存在，　则创建消息队列  
    int msgid = msgget(1234, 0666|IPC_CREAT);  
    if (msgid == -1)  
        err_exit("msgget error");  
    cout << "msgget success" << endl;  
}  

注意：KEY是16进制显示。我们可以使用命令 ipcrm -q 删除消息队列或者 ipcrm -Q [key]（此时key！=0）； Ipcs查看消息队列；要指定IPC_CREAT,才可创建，类似于文件的creat

/** 示例2:IPC_CREAT|IPC_EXCL, 如果该消息队列已经存在, 则返回出错 **/  
int main(int argc, char *argv[])  
{  
    //指定IPC_EXCL, 如果已经存在,则报告文件已经存在(错误)  
    int msgid = msgget(1234, 0666|IPC_CREAT|IPC_EXCL);  
    if (msgid == -1)  
        err_exit("msgget error");  
    cout << "msgget success" << endl;  
}  

/**示例3:将key指定为IPC_PRIVATE(值为0) 
将key指定为IPC_PRIVATE之后,则每调用一次msgget会创建一个新的消息队列
而且每次创建的消息队列的描述符都是不同的! 因此, 除非将MessageID(key)传送给其他进程(除非有关联的进程),否则其他进程也无法使用该消息队列
但是具有亲缘进程的是可以使用的（fork） 
因此, IPC_PRIVATE创建的消息队列,只能用在与当前进程有关系的进程中使用! 
**/  

这也意味着进程不能共享这个消息队列，父子兄弟进程是可以的
int main(int argc, char *argv[])  
{  
    //指定IPC_PRIVATE  
    int msgid = msgget(IPC_PRIVATE, 0666|IPC_CREAT|IPC_EXCL);  
    if (msgid == -1)  
        err_exit("msgget error");  
    cout << "msgget success" << endl;  
}  

以上KEY为0x00000000的都是使用IPC_PRIVATE创建的。

/** 示例4: 仅打开消息队列时, msgflg选项可以直接忽略(填0), 此时是以消息队列创建时的权限进行打开 
**/  
int main(int argc, char *argv[])  
{  
    int msgid = msgget(1234, 0);  
    if (msgid == -1)  
        err_exit("msgget error");  
    cout << "msgget success" << endl;  
    cout << "msgid = " << msgid << endl;  
}  

//示例5:低权限创建,高权限打开  
int main()  
{  
    //低权限创建  
    int msgid = msgget(0x255,0444 | IPC_CREAT);  
    if (msgid < 0)  
        err_exit("mesget error");  
    else  
        cout << "Create Mes OK, msgid = " << msgid << endl;  
  
    //高权限打开  
    msgid = msgget(0x255,0644 | IPC_CREAT);  
    if (msgid < 0)  
        err_exit("mesget error");  
    else  
        cout << "Create Mes OK, msgid = " << msgid << endl;  
}  

会发生“Permission denied”的错误。

msgctl函数

功能：获取/设置消息队列的信息

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

参数:

   msqid: 由msgget函数返回的消息队列标识码

/** 示例1: IPC_RMID, 删除消息队列 
注意: 消息队列并没有运用”引用计数”的功能 
**/  
int main()  
{  
    int msgid = msgget(1234, 0);  
    if (msgid == -1)  
        err_exit("msgget error");  
    if (msgctl(msgid, IPC_RMID, NULL) == -1)  
        err_exit("msgctl IPC_RMID error");  
    cout << "msgctl IPC_RMID success" << endl;  
}  

/** 示例2: IPC_STAT，消息队列相关信息读入buf 
**/  
int main()  
{  
    int msgid = msgget(0x255, 0666|IPC_CREAT);  
    if (msgid == -1)  
        err_exit("msgget error");  
  
    struct msqid_ds buf;  
    if (msgctl(msgid,IPC_STAT,&buf) == -1)  
        err_exit("msgctl error");  
  
    printf("buf.msg_perm.mode = %o\n",buf.msg_perm.mode);   //%o以八进制打印  
    printf("buf.__key = %x\n", buf.msg_perm.__key);         //%x以十六进制打印  
    cout << "buf.__msg_cbytes = " << buf.__msg_cbytes << endl;  
    cout << "buf.msg_qbytes = " << buf.msg_qbytes << endl;  
    cout << "buf.msg_lspid = " << buf.msg_lspid << endl;  
}  

** 实践:IPC_SET,一般需要先获取,然后再设置 
**/  
int main()  
{  
    int msgid = msgget(0x255, 0);  
    if (msgid == -1)  
        err_exit("msgget error");  
  
    //获取消息队列的属性  
    struct msqid_ds buf;  
    if (msgctl(msgid,IPC_STAT,&buf) == -1)  
        err_exit("msgctl error");  
  
    //设置消息队列的属性  
    buf.msg_perm.mode = 0600;  
    if (msgctl(msgid, IPC_SET, &buf) == -1)  
        err_exit("msgctl error");  
  
    //获取并打印  
    bzero(&buf, sizeof(buf));  
    if (msgctl(msgid, IPC_STAT, &buf) == -1)  
        err_exit("msgctl IPC_STAT error");  
    printf("mode = %o\n", buf.msg_perm.mode);  
}