Linux系统编程之消息队列

1、消息队列简介

消息队列本质上是位于内核空间的链表，链表的每个节点都是一条消息。每一条消息都有自己的消息类型，消息类型用整数来表示，而且必须大于 0。每种类型的消息都被对应的链表所维护：

图1 位于内核空间的消息队列.png

其中数字 1 表示类型为 1 的消息，数字2、3、4 类似。彩色块表示消息数据，它们被挂在对应类型的链表上。

值得注意的是，刚刚说过没有消息类型为 0 的消息，实际上，消息类型为 0 的链表记录了所有消息加入队列的顺序，其中红色箭头表示消息加入的顺序。

2、消息队列相关的函数

// 创建和获取 ipc 内核对象
int msgget(key_t key, int flags);
// 将消息发送到消息队列
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
// 从消息队列获取消息
ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);
// 查看、设置、删除 ipc 内核对象（用法和 shmctl 一样）
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

3、消息数据格式

无论你是发送还是接收消息，消息的格式都必须按照规范来。简单的说，它一般长成下面这个样子：

struct Msg{
    long type; // 消息类型。这个是必须的，而且值必须 > 0，这个值被系统使用
    // 消息正文，多少字节随你而定
    // ...
};

所以，只要你保证首4字节(32 位 linux 下的 long)是一个整数就行了。
举个例子：

struct Msg {
    long type;
    char name[20];
    int age;
} msg;

struct Msg {
    long type;
    int start;
    int end;
} msg;

从上面可以看出，正文部分是什么数据类型都没关系，因为消息队列传递的是 2 进制数据，不一定非得是文本。

4、msgsnd 函数

msgsnd 函数用于将数据发送到消息队列。如果该函数被信号打断，会设置 errno 为 EINTR。

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

参数 msqid：ipc 内核对象 id
参数 msgp：消息数据地址
参数 msgsz：消息正文部分的大小（不包含消息类型）
参数 msgflg：可选项
该值为 0：如果消息队列空间不够，msgsnd 会阻塞。
IPC_NOWAIT：直接返回，如果空间不够，会设置 errno 为 EAGIN.

返回值：0 表示成功，-1 失败并设置 errno。

5、msgrcv 函数

msgrcv 函数从消息队列取出消息后，并将其从消息队列里删除。

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

参数 msqid：ipc 内核对象 id
参数 msgp：用来接收消息数据地址
参数 msgsz：消息正文部分的大小（不包含消息类型）
参数 msgtyp：指定获取哪种类型的消息

msgtyp = 0：获取消息队列中的第一条消息
msgtyp > 0：获取类型为 msgtyp 的第一条消息，除非指定了 msgflg 为MSG_EXCEPT，这表示获取除了 msgtyp 类型以外的第一条消息。
msgtyp < 0：获取类型 ≤|msgtyp|≤|msgtyp| 的第一条消息。
参数 msgflg：可选项。
如果为 0 表示没有消息就阻塞。
IPC_NOWAIT：如果指定类型的消息不存在就立即返回，同时设置 errno 为 ENOMSG
MSG_EXCEPT：仅用于 msgtyp > 0 的情况。表示获取类型不为 msgtyp 的消息
MSG_NOERROR：如果消息数据正文内容大于 msgsz，就将消息数据截断为 msgsz

6、实例

程序 msg_send 和 msg_recv 分别用于向消息队列发送数据和接收数据。

6.1 msg_send

msg_send 程序定义了一个结构体 Msg，消息正文部分是结构体 Person。该程序向消息队列发送了 10 条消息。
msg_send.c

#include <unistd.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct {
    char name[20];
    int age;
}Person;

typedef struct {
    long type;
    Person person;
}Msg;

int main(int argc, char *argv) {
    int id = msgget(0x8888, IPC_CREAT | 0664);
    
    Msg msg[10] = {
        {1, {"Luffy", 17}},
        {1, {"Zoro", 19}},
        {2, {"Nami", 18}},
        {2, {"Usopo", 17}},
        {1, {"Sanji", 19}},
        {3, {"Chopper", 15}},
        {4, {"Robin", 28}},
        {4, {"Franky", 34}},
        {5, {"Brook", 88}},
        {6, {"Sunny", 2}}
    };
    
    int i;
    for (i = 0; i < 10; ++i) {
        int res = msgsnd(id, &msg[i], sizeof(Person), 0);
    }
    
    return 0;
}

程序 msg_send 第一次运行完后，内核中的消息队列大概像下面这样：

 

图2 第一次执行完 msg_send 后的消息队列.png

6.2 msg_recv

msg_recv 程序接收一个参数，表示接收哪种类型的消息。比如./msg_recv 4 表示接收类型为 4 的消息，并打印在屏幕。

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>

typedef struct {
    char name[20];
    int age;
}Person;

typedef struct {
    long type;
    Person person;
}Msg;

void printMsg(Msg *msg) {
    printf("{ type = %ld, name = %s, age = %d }\n",
           msg->type, msg->person.name, msg->person.age);
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc < 2) {
        printf("usage: %s <type>\n", argv[0]);
        return -1;
    }
    
    // 要获取的消息类型
    long type = atol(argv[1]);
    
    // 获取 ipc 内核对象 id
    int id = msgget(0x8888, 0);
   
    
    Msg msg;
    int res;
    
    while(1) {
        // 以非阻塞的方式接收类型为 type 的消息
        res = msgrcv(id, &msg, sizeof(Person), type, IPC_NOWAIT);
        if (res < 0) {
            // 如果消息接收完毕就退出，否则报错并退出
            if (errno == ENOMSG) {
                printf("No message!\n");
                break;
            }

        }
        // 打印消息内容
        printMsg(&msg);
    }
    return 0;
}

6.3 编译

[root@localhost ~]# gcc msg_send.c -o msg_send
[root@localhost ~]# gcc msg_recv.c -o msg_recv

6.4 运行

先运行 msg_send，再运行 msg_recv。
接收所有消息

接收类型为 4 的消息

msgctl函数

获取和设置消息队列的属性

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

msqid：消息队列标识符
cmd：控制指令
IPC_STAT:获得msgid的消息队列头数据到buf中
IPC_SET：设置消息队列的属性，要设置的属性需先存储在buf中，可设置的属性包括：msg_perm.uid、msg_perm.gid、msg_perm.mode以及msg_qbytes
buf：消息队列管理结构体。

返回值：
成功：0
出错：-1，错误原因存于error中
EACCESS：参数cmd为IPC_STAT，确无权限读取该消息队列
EFAULT：参数buf指向无效的内存地址
EIDRM：标识符为msqid的消息队列已被删除
EINVAL：无效的参数cmd或msqid
EPERM：参数cmd为IPC_SET或IPC_RMID，却无足够的权限执行

实例

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <error.h>


struct msgbuf{
    long mtype ;
    char mtext[] ;
}  ;

int main(int argc, char **argv){
    int msqid ;
    struct msqid_ds info ;
    struct msgbuf buf ;
    struct msgbuf buf1 ;
    int flag ;
    int sendlength, recvlength ;

    msqid = msgget( IPC_PRIVATE, 0666 ) ;

    if ( msqid < 0 ){
        perror("get ipc_id error") ;
        return -1 ;
    }

    buf.mtype = 1 ;
    strcpy(buf.mtext, "happy new year!") ;
    sendlength = sizeof(struct msgbuf) - sizeof(long) ;
    flag = msgsnd( msqid, &buf, sendlength , 0 ) ;

    if ( flag < 0 ){
        perror("send message error") ;
        return -1 ;
    }

    buf.mtype = 3 ;
    strcpy(buf.mtext, "good bye!") ;
    sendlength = sizeof(struct msgbuf) - sizeof(long) ;
    flag = msgsnd( msqid, &buf, sendlength , 0 ) ;

    if ( flag < 0 ){
        perror("send message error") ;
        return -1 ;
    }

    flag = msgctl( msqid, IPC_STAT, &info ) ;

    if ( flag < 0 ){
        perror("get message status error") ;
        return -1 ;
    }

    printf("uid:%d, gid = %d, cuid = %d, cgid= %d\n" ,
           info.msg_perm.uid,  info.msg_perm.gid,  info.msg_perm.cuid,  info.msg_perm.cgid  ) ;

    printf("read-write:%03o, cbytes = %lu, qnum = %lu, qbytes= %lu\n" ,
           info.msg_perm.mode&0777, info.msg_cbytes, info.msg_qnum, info.msg_qbytes ) ;

    system("ipcs -q") ;
    recvlength = sizeof(struct msgbuf) - sizeof(long) ;
    memset(&buf1, 0x00, sizeof(struct msgbuf)) ;

    flag = msgrcv( msqid, &buf1, recvlength ,3,0 ) ;
    if ( flag < 0 ){
        perror("recv message error") ;
        return -1 ;
    }
    printf("type=%d, message=%s\n", buf1.mtype, buf1.mtext) ;

    flag = msgctl( msqid, IPC_RMID,NULL) ;
    if ( flag < 0 ){
        perror("rm message queue error") ;
        return -1 ;
    }
    system("ipcs -q") ;
    return 0 ;
}