Linux系統編程之消息隊列

1、消息隊列簡介

消息隊列本質上是位於內核空間的鏈表，鏈表的每個節點都是一條消息。每一條消息都有自己的消息類型，消息類型用整數來表示，而且必須大於 0。每種類型的消息都被對應的鏈表所維護：

圖1 位於內核空間的消息隊列.png

其中數字 1 表示類型爲 1 的消息，數字2、3、4 類似。彩色塊表示消息數據，它們被掛在對應類型的鏈表上。

值得注意的是，剛剛說過沒有消息類型爲 0 的消息，實際上，消息類型爲 0 的鏈表記錄了所有消息加入隊列的順序，其中紅色箭頭表示消息加入的順序。

2、消息隊列相關的函數

// 創建和獲取 ipc 內核對象
int msgget(key_t key, int flags);
// 將消息發送到消息隊列
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
// 從消息隊列獲取消息
ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);
// 查看、設置、刪除 ipc 內核對象（用法和 shmctl 一樣）
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

3、消息數據格式

無論你是發送還是接收消息，消息的格式都必須按照規範來。簡單的說，它一般長成下面這個樣子：

struct Msg{
    long type; // 消息類型。這個是必須的，而且值必須 > 0，這個值被系統使用
    // 消息正文，多少字節隨你而定
    // ...
};

所以，只要你保證首4字節(32 位 linux 下的 long)是一個整數就行了。
舉個例子：

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

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

從上面可以看出，正文部分是什麼數據類型都沒關係，因爲消息隊列傳遞的是 2 進制數據，不一定非得是文本。

4、msgsnd 函數

msgsnd 函數用於將數據發送到消息隊列。如果該函數被信號打斷，會設置 errno 爲 EINTR。

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

參數 msqid：ipc 內核對象 id
參數 msgp：消息數據地址
參數 msgsz：消息正文部分的大小（不包含消息類型）
參數 msgflg：可選項
該值爲 0：如果消息隊列空間不夠，msgsnd 會阻塞。
IPC_NOWAIT：直接返回，如果空間不夠，會設置 errno 爲 EAGIN.

返回值：0 表示成功，-1 失敗並設置 errno。

5、msgrcv 函數

msgrcv 函數從消息隊列取出消息後，並將其從消息隊列裏刪除。

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

參數 msqid：ipc 內核對象 id
參數 msgp：用來接收消息數據地址
參數 msgsz：消息正文部分的大小（不包含消息類型）
參數 msgtyp：指定獲取哪種類型的消息

msgtyp = 0：獲取消息隊列中的第一條消息
msgtyp > 0：獲取類型爲 msgtyp 的第一條消息，除非指定了 msgflg 爲MSG_EXCEPT，這表示獲取除了 msgtyp 類型以外的第一條消息。
msgtyp < 0：獲取類型 ≤|msgtyp|≤|msgtyp| 的第一條消息。
參數 msgflg：可選項。
如果爲 0 表示沒有消息就阻塞。
IPC_NOWAIT：如果指定類型的消息不存在就立即返回，同時設置 errno 爲 ENOMSG
MSG_EXCEPT：僅用於 msgtyp > 0 的情況。表示獲取類型不爲 msgtyp 的消息
MSG_NOERROR：如果消息數據正文內容大於 msgsz，就將消息數據截斷爲 msgsz

6、實例

程序 msg_send 和 msg_recv 分別用於向消息隊列發送數據和接收數據。

6.1 msg_send

msg_send 程序定義了一個結構體 Msg，消息正文部分是結構體 Person。該程序向消息隊列發送了 10 條消息。
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 第一次運行完後，內核中的消息隊列大概像下面這樣：

 

圖2 第一次執行完 msg_send 後的消息隊列.png

6.2 msg_recv

msg_recv 程序接收一個參數，表示接收哪種類型的消息。比如./msg_recv 4 表示接收類型爲 4 的消息，並打印在屏幕。

#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;
    }
    
    // 要獲取的消息類型
    long type = atol(argv[1]);
    
    // 獲取 ipc 內核對象 id
    int id = msgget(0x8888, 0);
   
    
    Msg msg;
    int res;
    
    while(1) {
        // 以非阻塞的方式接收類型爲 type 的消息
        res = msgrcv(id, &msg, sizeof(Person), type, IPC_NOWAIT);
        if (res < 0) {
            // 如果消息接收完畢就退出，否則報錯並退出
            if (errno == ENOMSG) {
                printf("No message!\n");
                break;
            }

        }
        // 打印消息內容
        printMsg(&msg);
    }
    return 0;
}

6.3 編譯

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

6.4 運行

先運行 msg_send，再運行 msg_recv。
接收所有消息

接收類型爲 4 的消息

msgctl函數

獲取和設置消息隊列的屬性

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

msqid：消息隊列標識符
cmd：控制指令
IPC_STAT:獲得msgid的消息隊列頭數據到buf中
IPC_SET：設置消息隊列的屬性，要設置的屬性需先存儲在buf中，可設置的屬性包括：msg_perm.uid、msg_perm.gid、msg_perm.mode以及msg_qbytes
buf：消息隊列管理結構體。

返回值：
成功：0
出錯：-1，錯誤原因存於error中
EACCESS：參數cmd爲IPC_STAT，確無權限讀取該消息隊列
EFAULT：參數buf指向無效的內存地址
EIDRM：標識符爲msqid的消息隊列已被刪除
EINVAL：無效的參數cmd或msqid
EPERM：參數cmd爲IPC_SET或IPC_RMID，卻無足夠的權限執行

實例

#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 ;
}