IPC——消息队列

概述

System V IPC引入了3中通信方式，本文主要介绍消息队列

System V IPC不再以文件的形式存在，因此没有文件描述符这个东西，但是它有类似的“标识符”。完全可以认为这个“标识符”就是文件描述符的替代者，但是它是专门给System V IPC使用的，所以我们不能使用文件IO函数来操作“标识符”，只能使用System V IPC的特有API才能操作。

如何获取这个“标识符”？

调用某API创建好某个“通信结构”以后，API就会返回一个唯一的“标识符”。

消息队列原理

消息队列本质

消息队列的本质就是由内核创建的用于存放消息的链表，由于是存放消息的，所以我们就把这个链表称为了消息队列。通信的进程通过共享操作同一个消息队列，就能实现进程间通信。

消息队列模型

每个消息由两部分组成，分别是消息编号（消息类型）和消息正文。
1）消息编号：识别消息用
2）消息正文：真正的信息内容

消息队列收发数据

发送消息

①进程先封装一个消息包

这个消息包其实就是如下类型的一个结构体变量，封包时将消息编号和消息正文
写到结构体的成员中。

struct msgbuf
{
    long mtype;             /* 放消息编号，必须> 0 */
    char mtext[msgsz]; /* 消息内容（消息正文） */
};

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②调用相应的API发送消息

调用API时通过“消息队列的标识符”找到对应的消息队列，然后将消息包发送给消息队列，消息包（存放消息的结构体变量）会被作为一个链表节点插入链表。

接收消息

调用API接收消息时，必须传递两个重要的信息

（a）消息队列标识符
（b）你要接收消息的编号

有了这两个信息，API就可以找到对应的消息队列，然后从消息队列中取出你所要编号的消息，如此就收到了别人所发送的信息。

消息队列使用步骤

①使用msgget函数创建新的消息队列、或者获取已存在的某个消息队列，并返回唯一标识消息队列的标识符（msqID），后续收发消息就是使用这个标识符来实现的。

②收发消息

发送消息：使用msgsnd函数，利用消息队列标识符发送某编号的消息
接收消息：使用msgrcv函数，利用消息队列标识符接收某编号的消息

③使用msgctl函数，利用消息队列标识符删除消息队列

对于使用消息队列来通信的多个进程来说，只需要一个进程来创建消息队列就可以了，对于其它要参与通信的进程来说，直接使用这个创建好的消息队列即可。为了保证消息队列的创建，最好是让每一个进程都包含创建消息队列的代码，谁先运行就由谁创建，后运行的进程如果发现它想用的那个消息队列已经创建好了，就直接使用，当众多进程共享操作同一个消息队列时，即可实现进程间的通信。

API

msgget

函数原型

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

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功能

利用key值创建、或者获取一个消息队列。key值也能够唯一的标识消息队列。

如果key没有对应任何消息队列，那就创建一个新的消息队列

如果key已经对应了某个消息队列，说明你要的消息队列已经存在了，那就获取这个消息队列来使用

参数

key值：

用于为消息队列生成（计算出）唯一的消息队列ID。

我们可以指定三种形式的key值：

①指定为IPC_PRIVATE宏，指定这个宏后，每次调用msgget时都会创建一个新的消息队列。如果你每次使用的必须是新消息队列的话，就可以指定这个，不过这个用的很少。因为一般来说，只要有一个消息队列可以用来通信就可以了，并不需要每次都创建一个全新的消息队列。

②可以自己指定一个整形数，但是容易重复指定。本来我想创建一个新的消息队列，结果我所指定的这个整形数，之前就已经被用于创建某个消息队列了，当我的指定重复时，msgget就不会创建新消息队列，而是使用的是别人之前就创建好的消息队列。很少使用这种方式

③使用ftok函数来生成key

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

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

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ftok通过指定路径名和一个整形数，就可以计算并返回一个唯一对应的key值，只要路径名和整形数不变，所对应的key值就唯一不变的。不过由于ftok只会使用整形数（proj_id）的低8位，因此我们往往会指定为一个ASCII码值，因为ASCII码值刚好是8位的整形数。返回值

msgflg：

指定创建时的原始权限，比如0664

创建一个新的消息队列时，除了原始权限，还需要指定IPC_CREAT选项。msgid = msgget(key, 0664|IPC_CREAT);

如果key值没有对应任何消息队列，就会创建一个新的消息队列，此时就会用到msgflg参数，但是如果key已经对应了某个早已存在消息队列，就直接返回这个已存在消息队列的ID（标识符），此时不会用到msgflg参数。

返回值

成功：返回消息队列标识符（消息队列的ID）对于每一个创建好的消息队列来说，ID是固定的。

失败：失败返回-1，并设置errno。

msgsnd

函数原型

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

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功能

发送消息到消息队列上。将消息挂到消息队列上。

参数

msqid：消息队列的标识符。

msgp：存放消息的缓存的地址，类型struct msgbuf类型。这个缓存就是一个消息包（存放消息的结构体变量）。

struct msgbuf
{
    long mtype;         /* 放消息编号，必须 > 0 */
    char mtext[msgsz];  /* 消息内容（消息正文） */
};

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msgsz：消息正文大大小。

msgflg：

0：阻塞发送消息。也就是说，如果没有发送成功的话，该函数会一直阻塞等，直到发送成功为止。

IPC_NOWAIT：非阻塞方式发送消息，不管发送成功与否，函数都将返回也就是说，发送不成功的的话，函数不会阻塞。

返回值

成功：返回0,失败：返回-1，errno被设置

msgrcv

函数原型

#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);

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功能

接收消息，从消息队列中取出别人所放的某个编号的消息。

参数

msqid：消息队列的标识符。

msgp：缓存地址，缓存用于存放所接收的消息。类型还是struct msgbuf，同上

msgsz：消息正文的大小

msgtyp：你要接收消息的编号

int msgflg：

0：阻塞接收消息。也就是说如果没有消息时，阻塞接收（msgrcv函数会休眠）。

IPC_NOWAIT：非阻塞接收消息。也就是说没有消息时，该函数不阻塞。他会因为读取失败而错误返回

返回值

成功：返回消息正文的字节数。失败：返回-1，errno被设置

msgctl

函数原型

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

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功能

根据cmd指定的要求，去控制消息队列。可以有那些控制？

获取消息队列的属性信息

修改消息队列的属性信息

删除消息队列

等等

我们调用msgctl函数的最常见目的就是删除消息队列，事实上，删除消息队列只是各种消息队列控制中的一种。

参数

msqid：消息队列标识符

cmd：控制选项，其实cmd有很多选项，我这里只简单介绍三个

①IPC_STAT：将msqid消息队列的属性信息，读到第三个参数所指定的缓存。

②IPC_SET：使用第三个参数中的新设置去修改消息队列的属性

+ 定一个struct msqid_ds buf。
+ 将新的属性信息设置到buf中
+ cmd指定为IPC_SET后，msgctl函数就会使用buf中的新属性去修改消息队列原有的属性。

③IPC_RMID：删除消息队列.删除消息队列时，用不到第三个参数，用不到时设置为NULL。

buf：存放属性信息

有的时候需要给第三个参数，有时不需要，取决于cmd的设置。buf的类型为struct msqid_ds。

结构体中的成员都是用来存放消息队列的属性信息的。

struct msqid_ds 
{
    struct ipc_perm  msg_perm; /* 消息队列的读写权限和所有者 */
    time_t  msg_stime;             /* 最后一次向队列发送消息的时间*/
    time_t  msg_rtime;             /* 最后一次从消息队列接收消息的时间 */
    time_t  msg_ctime;             /* 消息队列属性最后一次被修改的时间 */
    unsigned  long __msg_cbytes; /* 队列中当前所有消息总的字节数 */
    msgqnum_t  msg_qnum;     /* 队列中当前消息的条数*/
    msglen_t msg_qbytes;        /* 队列中允许的最大的总的字节数 */
    pid_t  msg_lspid;                /* 最后一次向队列发送消息的进程PID */
    pid_t  msg_lrpid;                 /* 最后一次从队列接受消息的进程PID */
};

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struct ipc_perm 
{
    key_t          __key;       /* Key supplied to msgget(2)：消息队列的key值 */
    uid_t          uid;         /* UID of owner ：当前这一刻正在使用消息队列的用户 */
    gid_t          gid;         /* GID of owner ：正在使用的用户所在用户组 */
    uid_t          cuid;        /* UID of creator ：创建消息队列的用户 */
    gid_t          cgid;        /* GID of creator ：创建消息队列的用户所在用户组*/
    unsigned short mode;        /* Permissions：读写权限（比如0664） */
    unsigned short __seq;       /* Sequence number ：序列号，保障消息队列ID不被立即重复使用 */
};

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返回值

成功：返回0。失败：返回-1，errno被设置

多进程共享消息队列

创建进程

如果创建者使用"./file", 'a'生成一个key值，然后调用msgget创建了一个消息队列，比如：

key = ftok("./file", 'a');
msgid = msgget(key, 0664|IPC_CREAT);

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当创建者得到msgid后，即可操作消息队列。

其他进程共享操作消息队列

共享的方法很简单，只要你能拿到别人创建好的消息队列的ID，即可共享操作同一个消息队列，实现进程间通信。

获取别人创建好的消息队列的ID，有两个方法：

①创建者把ID保存到某文件，共享进程读出ID即可。这种情况下，共享进程根本不需要调用msgget函数来返回ID。

②调用msgget获取已在消息队列的ID

使用ftok函数，利用与创建者相同的“路径名”和8位整形数，生成相同的key值

调用msgget函数，利用key找到别人创建好的消息队列，返回ID

key = ftok("./file", 'a');
msgid = msgget(key, 0664|IPC_CREAT);

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拿到了消息队列的ID后就能共享操作了。这种方法是最常用的方法，因为ftok所用到的“路径名”和“8位的整形数”比较好记忆，所以，你只要记住别人生成key值时所用的“路径名”和“8位的整形数”，你就一定能共享操作别人创建好的消息队列。

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