【Linux】消息传递的艺术：探索Linux消息队列机制

本文所讲的共享内存为

System V

版的消息队列

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文章目录

0.前言

共享内存没有进行同步于互斥以及异步
System V 是一种经典的 UNIX 进程间通信（IPC）机制，提供了一套 API 来支持进程之间的高效数据交换和同步。消息队列 和 信号量 是其中的两个关键部分，它们各自解决了不同的通信和同步问题，但都基于 System V 的 IPC 框架。
虽然 System V IPC 功能强大，但其接口较为复杂，现代系统中逐渐被 POSIX IPC 替代。

1.什么是消息队列

消息队列（Message Queue）是进程间通信（IPC）的一种方式，通过将消息存入内核维护的队列中，实现异步的进程数据传递。与管道不同，消息队列不仅允许不同大小的数据块传递，还支持消息的优先级排序，从而提供了更灵活的通信机制。

1.1 消息队列的特点

1. 异步通信：发送方和接受方不需要同时进行，消息会存储在队列中，直到接收方读取。
2. 持久性：消息队列由内核维护，即使发送方或者接收方意外退出，消息仍然保留在队列中。
3. 消息分类：每个消息都有一个消息类型，可以根据类型有选择地读取特定地消息。
4. 容量限制：消息队列地大小是有限制地，需要合理地管理和清空，避免队列满导致堵塞。

1.2 消息队列地核心概念

1. 标识符：消息队列使用一个唯一地标识符（Queue ID）来区分。
2. 消息类型：每条消息包含一个正整数的类型，用户可以根据类型选择性地读取消息。
3. 结构：

• 消息队列：实际传输地数据内容。
• 消息长度：消息地字节数。
• 消息类型地分类标识。

遍历消息时，存数据块还是取数据块，取决于数据块中的类型

type

1.3 消息队列的数据结构

我们使用

man

手册来查看，输入

man msgctl

structmsqid_ds{structipc_perm msg_perm;/* Ownership and permissions */time_t          msg_stime;/* Time of last msgsnd(2) */time_t          msg_rtime;/* Time of last msgrcv(2) */time_t          msg_ctime;/* Time of creation or last
                                  modification by msgctl() */unsignedlong   msg_cbytes;/* # of bytes in queue */msgqnum_t       msg_qnum;/* # number of messages in queue */msglen_t        msg_qbytes;/* Maximum # of bytes in queue */pid_t           msg_lspid;/* PID of last msgsnd(2) */pid_t           msg_lrpid;/* PID of last msgrcv(2) */};

我们要注意类型为

struct ipc_prem

这个类型，该类型在共享内存的数据结构也出现过。
下面是它的具体内容：

structipc_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 */unsignedshort mode;/* Permissions */unsignedshort __seq;/* Sequence number */};

1.4 消息队列的使用

如果你已经学习过共享内存，那么消息队列的使用也一定会得心应手的。

1.4.1 创建消息队列

使用

msgget

函数来创建消息队列。

msgget

是用于创建或访问 System V 消息队列 的系统调用。它根据指定的键值创建或获取一个消息队列标识符，用于后续的消息操作。

#include<sys/types.h>#include<sys/ipc.h>#include<sys/msg.h>intmsgget(key_t key,int msgflg);

使用方法和

shmget

高度相似
参数说明：

1. key

• 一个唯一标识消息队列的值。
• 常通过ftok函数生成，也可以直接使用整数值（不推荐）

1. msgflg

• 用于指定消息队列和权限和行为。 - 访问权限：权限掩码- 行为控制： - IPC_CREAT：如果队列不存在那么创建- IPC_RXCL：需要与IPC_CREAT结合使用，单独使用没有意义。表示如果队列已经存在，那么返回错误。 返回值
• 成功：返回消息队列的标识符msgid。
• 失败：返回-1。 是不是和shmget相似，简直一模一样啊！ 如果你没有看过我的共享内存文章，推荐一看，会对你理解消息队列也是有帮助的哦~ 【Linux】「共享内存揭秘」：高效进程通信的终极指南-CSDN博客 还是老样子，我们先创建一个共享区域：common.hpp

#include<iostream>#include<sys/types.h>#include<sys/ipc.h>#include<sys/msg.h>#include<assert.h>#definePATHNAME"./"#definePROJ_ID0x3fconst mode_t mode =0666;

key_t getKey(){/**
     * :return 返回key值
     * @return
     */
    key_t ret =ftok(PATHNAME,PROJ_ID);assert(ret!=-1);return ret;}intcreatMsg(){/**:function 创建消息队列
     * :return 返回msgid
     * @return
     */int msgid =msgget(getKey(),IPC_CREAT|IPC_EXCL|mode);assert(msgid!=-1);return msgid;}

然后创建一个消息队列

#include"common.hpp"intmain(){//创建消息队列int msgid =creatMsg();return0;}

运行后，我们在命令行输入指令

ipcs -q

由于现在我们并没有使用消息队列，其

used-bytes

和消息数

messages

都是0
消息队列的生命周期也是跟随操作系统的，并不会因为进程的结束而结束

1.4.2 释放消息队列

同共享内存一样，你可以通过指令或者程序中的函数来将消息队列释放。
释放指令：

ipcrm -q msqid

函数释放：

msgctl

例行惯例，我们先在介绍

msgctl

#include<sys/types.h>#include<sys/ipc.h>#include<sys/msg.h>intmsgctl(int msqid,int cmd,structmsqid_ds*buf);

参数说明

1. msqid- 消息队列的标识符（由 msgget 返回）。
2. cmd- 指定要执行的操作： - **IPC_STAT**：获取消息队列的当前状态，并将其存储到 buf 中。- **IPC_SET**：设置消息队列的属性（使用 buf 中的数据）。- **IPC_RMID**：删除消息队列。
3. buf- 指向 struct msqid_ds 的指针，表示消息队列的状态和属性。- 对于 IPC_STAT 和 IPC_SET，需要使用此参数；对 IPC_RMID 则可以为 NULL。返回值 成功返回0，失败返回-1 只是释放消息队列，函数的使用就是套路了。

msgctl(msqid,IPC_RMID,nullptr);

1.4.2 使用消息队列

发送消息
为了将数据发送到消息队列，现在需要的函数为

msgsnd

msgsnd

是用于向 System V 消息队列 发送消息的系统调用。它将一条消息放入消息队列中，以实现进程间通信。

#include<sys/types.h>#include<sys/ipc.h>#include<sys/msg.h>intmsgsnd(int msqid,constvoid*msgp, size_t msgsz,int msgflg);

参数说明：

1. msqid- 消息队列的标识符，由 msgget 返回。
2. msgp- 指向消息数据的指针。这个指针指向的结构必须包含一个 long 类型的成员（用于存储消息类型），后面跟随实际的数据。
3. msgsz- 消息正文部分的大小（以字节为单位，不包括消息类型字段）。
4. msgflg- 标志选项，用于控制消息发送行为： - **IPC_NOWAIT**：如果消息队列已满，则不阻塞，立即返回错误。- 默认情况下，如果队列满，调用会阻塞直到有空间可用。 返回值 成功：0。失败：-1关于参数2 表示的是待发送的数据块，是一个结构体剋们需要自己定义

structmsgbuf{long mtype;/* message type, must be > 0 */char mtext[1];/* message data */};

接受
为了接受消息，同样我们还需要一个函数

msgrcv

msgrcv

是一个用于从 System V 消息队列 中接收消息的系统调用。通过它，进程可以从指定的消息队列中读取一条符合条件的消息。

#include<sys/types.h>#include<sys/ipc.h>#include<sys/msg.h>

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

参数说明：

• msqid- 消息队列的标识符，由 msgget 返回。用于标识从哪个队列中接收消息。
• msgp- 指向一个用户定义的消息缓冲区。该缓冲区的第一个字段必须是 long 类型的消息类型 mtype，后续是消息正文。 示例消息缓冲区定义：structmsgbuf{long mtype;// 消息类型 char mtext[MSGSZ];// 消息正文 };
• msgsz- 指定消息正文 mtext 的大小（以字节为单位）。如果接收到的消息大小超过该值，行为将根据 msgflg 参数决定。
• msgtyp- 指定要接收的消息类型： - **>0**：接收队列中类型等于 msgtyp 的第一条消息。- **0**：接收队列中的第一条消息，不论类型。- **<0**：接收队列中类型绝对值小于等于 |msgtyp| 的第一条消息。
• msgflg- 控制消息接收行为的标志，可选值包括： - **IPC_NOWAIT**：如果没有符合条件的消息，函数立即返回 -1，而不是阻塞。- **MSG_NOERROR**：如果消息正文大小超过 msgsz，多余部分将被截断，而不是导致错误。common.hpp

#include<iostream>#include<sys/types.h>#include<sys/ipc.h>#include<sys/msg.h>#include<cstring>#include<unistd.h>#include<assert.h>#definePATHNAME"./"#definePROJ_ID0x3f#defineMSGSZ128const mode_t mode =0666;

key_t getKey(){/**
     * :return 返回key值
     * @return
     */
    key_t ret =ftok(PATHNAME,PROJ_ID);assert(ret!=-1);return ret;}intcreatMsg(){/**:function 创建消息队列
     * :return 返回msgid
     * @return
     */int msgid =msgget(getKey(),IPC_CREAT|IPC_EXCL|mode);assert(msgid!=-1);return msgid;}intgetMsg(){/**:function 获取消息队列
     * :return 返回msgid
     * @return
     */int msgid =msgget(getKey(),IPC_CREAT);assert(msgid!=-1);return msgid;}

client.cc

用于向

server.cc

发送消息

/**
 * 用户端发送消息
 */#include"common.hpp"structmy_msgbuf{long mtype;char mtext[MSGSZ];//MSGSZ为新定义的标识常量：128};intmain(){int msgid =creatMsg();structmy_msgbuf msg;
    msg.mtype =1;//设置消息类型strcpy(msg.mtext,"hello,Message Queue!");//开始发送消息int n =msgsnd(msgid,&msg,strlen(msg.mtext)+1,0);assert(n!=-1);
    std::cout<<"消息已发送"<<std::endl;sleep(10);msgctl(msgid,IPC_RMID,nullptr);//释放return0;}

server.cc

用于接收

client.cc

消息

/**
 * 服务端接收消息
 */#include"common.hpp"structmy_msgbuf{long mtype;char mtext[MSGSZ];//MSGSZ为新定义的标识常量：128};intmain(){int msgid =getMsg();structmy_msgbuf msg;//开始接受信息
    ssize_t n =msgrcv(msgid,&msg,MSGSZ,1,0);assert(n!=-1);
    std::cout<<"已接收消息："<<msg.mtext<<std::endl;return0;}

执行效果：

感谢你的阅读，如果你有求职的需求可以看看这里

2. 总结

消息队列的大部分接口都与共享内存类似，如果你使用过更现代的

POSIX IPC

，可能会觉得

System V

已经落后，事实上也确实是如此，

System V

已经过于老旧，现在用的很少，对于此版本，不需要太过深入了解，在实际情况中遇到，查查文档就是了。
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