linux进程间通信之消息队列

上周因课题的需要，写了一个进程间使用消息队列通信的程序。之所以，用因为消息队列是随内核存在的，即使进程退出它仍然存在

。消息队列的这种特点正适合我的需要。下面是来自CSDN博客上的一篇文章，转自http://blog.csdn.net/liranke/archive/2010/05/19/5608686.aspx

1.
基本概念

消息队列的最佳定义是：内核地址空间中的内部链表。消息可以顺序地发送到队列中，

并以几种不同的方式从队列中获取。当然，每个消息队列都是由
IPC
标识符所唯一标识的。

2.
内部和用户数据结构

要完成理解象系统
V IPC
这样复杂的问题，关键是要彻底熟悉内核的几个内部数据结构。

甚至对那些最基本的操作来说，直接访问这些结构中的某几个结构也是必要的，而其他的结

构则停留在一个更低的级别上。

3.
消息缓冲区

我们要介绍的第一个结构是
msgbuf
结构。这个特殊的数据结构可以认为是消息数据的模

板。虽然定义这种类型的数据结构是程序员的职责，但是读者绝对必须知道实际上存在

msgbuf
类型的结构。它是在在
linux/msg.h
中定义的，有
2
个成员：

• mtype
—
它是消息类型，以正数来表示。这个数必须为一个正数！

• mtext
—
它就是消息数据。

4.
内核
msg
结构

内核把消息队列中的每个消息都存放在
msg
结构的框架中。该结构是在
linux/msg.h
中定义

的，如下是其成员的描述：

• msg_next
—
这是一个指针，指向消息队列中的下一个消息。在内核寻址空间中，它们

是当作一个链表存储的。

• msg_type
—
这是消息类型，它的值是在用户结构
msgbuf
中赋予的。

• msg_spot
—
这是一个指针，指向消息体的开始处。

• msg_ts
—
这是消息文本
(
消息体
)
的长度。

•
内核
msgid_ds
结构
—
IPC
对象分为三类，每一类都有一个内部数据结构，该数据结构

是由内核维护的。对于消息队列而言，它的内部数据结构是
msqid_ds
结构。对于系统上

创建的每个消息队列，内核均为其创建、存储和维护该结构的一个实例。该结构在

linux/msg.h
中定义，如下所示：

struct msqid_ds{

struct ipc_perm msg_perm;

msgqnum_t msg_qnum;

msglen_t msg_qbytes;

pid_t msg_lspid;

pid_t msg_lrpid;

time_t msg_stime;

time_t msg_rtime;

time_t msg_ctime;

...

...

};

在不同的系统中，此结构会有不同的新成员，这里只列出最少拥有的关键成员。其中，
msg_qbytes
成员以及
msg_qnum
成员在不同的系统也会有不同的上限值，这里就不逐一介绍了，详细内容请参阅相关系统手册。

• msg_perm
—
它是
ipc_perm
结构的一个实例，
ipc_perm
结构是在
linux/ipc.h
中定义的。

该成员存放的是消息队列的许可权限信息，其中包括访问许可信息，以及队列的创建者

的有关信息
(
如
uid
等等
)
。

• msg_first
—
链接到队列中的第一个消息
(
列表头部
)
。

• msg_last
—
链接到队列中的最后一个消息
(
列表尾部
)
。

• msg_stime
—
发送到队列的最后一个消息的时间戳
(time_t)
。

• msg_rtime
—
从队列中获取的最后一个消息的时间戳。

• msg_ctime
—
对队列进行最后一次变动的时间戳。

5.
内核
ipc_perm
结构

内核把
IPC
对象的许可权限信息存放在
ipc_perm
类型的结构中。例如在前面描述的某个消

息队列的内部结构中，
msg_perm
成员就是
ipc_perm
类型的，它的定义是在文件
linux/ipc.h
中，

以上所有的成员都具有相当的自扩展性。对象的创建者以及所有者
(
它们可能会有不同
)
的

有关信息，以及对象的
IPC
关键字都是存放在该结构中的。八进制形式的访问模式也是存放在

这里的，它是以一种无符号短整型的形式存储的。最后，时间片使用序列编号存放在最后面，

每次通过系统调用关闭
IPC
对象
(
摧毁
)
时，这个值将被增加一，至多可以增加到能驻留在系统

中的
IPC
对象的最大数目。用户需要关心这个值吗？答案是
“
不
”
。

有关这个问题，在
Richard Stevens
所著的《
Unix Network Programming
》一书的第
125
页

中作了精辟的讨论。该书还介绍了
ipc_perm
结构的存在和行为在安全性方面的原因。

6.
创建消息队列：

（
1
）
msgget
简介：为了创建一个新的消息队列，或者访问一个现有的队列，可以使用系统调用
msgget ( )
。

msgget ( )
的第一个变元是关键字的值
(
在我们的例子中该值是调用
ftok ( )
的返回值
)
。这个

关键字的值将被拿来与内核中其他消息队列的现有关键字值相比较。比较之后，打开或者访

问操作依赖于
msgflg
变元的内容。

• IPC_CREAT
—
如果在内核中不存在该队列，则创建它。

• IPC_EXCL
—
当与
IPC_CREAT
一起使用时，如果队列早已存在则将出错。

如果只使用了
IPC_CREAT, msgget ( )
或者返回新创建消息队列的消息队列标识符，或者

会返回现有的具有同一个关键字值的队列的标识符。如果同时使用了

I P C _ E X C L
和
IPC_CREAT
，那么将可能会有两个结果。或者创建一个新的队列，或者如果该队列存在，则

调用将出错，并返回－
1
。
IPC_EXCL
本身是没有什么用处的，但在与
IPC_CREAT
组合使用时，

它可以用于保证没有一个现存的队列为了访问而被打开。

有个可选的八进制许可模式，它是与掩码进行
OR
操作以后得到的。这是因为从功能上讲，

每个
IPC
对象的访问许可权限与
Unix
文件系统的文件许可权限是相似的！

（
2
）
msgget
举例：

下面实例演示了使用
msgget
函数创建一个队列，函数中参数
falgs
指定为
IPC_CREAT|0666
，说明新建一个权限为
0666
的消息队列，其中组用户、当前用户以及其他用户拥有读写的权限。并在程序的最后使用
shell
命令
ipcs –q
来查看系统
IPC
的状态。

（
1
）在
vi
编辑器中编辑该程序如下：

程序清单
14-12 create_msg.c msgget
函数

#include <sys/msg.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/ipc.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

int main ( void )

{

int qid;

key_t key;

key = 113;

qid=msgget( key, IPC_CREAT | 0666 )
；
/*
创建一个消息队列
*/

if ( qid < 0 ) { /*
创建一个消息队列失败
*/

perror ( "msgget" );

exit (1) ;

}

printf ("created queue id : %d /n", qid ); /*
输出消息队列的
ID */

system( "ipcs -q" ); /*
查看系统
IPC
的状态
*/

exit ( 0 );

}

（
2
）在
shell
中编译该程序如下：

$gcc create_msg.c–o create_msg

（
3
）在
shell
中运行该程序如下：

$./ create_msg

created queue id : 0

------ Message Queues --------

key msqid owner perms used-bytes messages

0x0000af40 623430 root 666 0 0

0x0000007b 0 root 666 0 0

在程序中使用了系统命令
ipcs
，命令参数
-q
说明只查看消息队列的状态。注意在输出消息中，
key
段标明的是
IPC
的
key
值，
msqid
为该队列的
ID
值，
perms
为执行权限。同样，队列的执行权限像其他
IPC
对象一样没有执行权限。函数
msgctl
可以在队列上做多种操作，函数原型如下：

#include <sys/msg.h>

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

参数
msqid
为指定的要操作的队列，
cmd
参数指定所要进行的操作，其中有些操作需要
buf
参数。
cmd
参数的详细取值及操作如表
14-9
所示。

表
14-9 cmd
参数详解

cmd	操 作
IPC_STAT	取队列的 msqid_ds 结构，将它存放在 buf 所指向的结构中（需要 buf 参数）
IPC_SET	使用 buf 所指向结构中的值对当前队列的相关结构成员赋值，其中包括： msg_perm.uid 、 msg_perm.gid 、 msg_perm.mode 以及 msg_perm.cuid 。该命令只能由具有以下条件的进程执行：进程有效用户 ID 等于 msg_perm.cuid 或 msg_perm.uid 超级用户进程。其中只有超级用户才可以增加队列的 msg_qbytes 的值
IPC_RMID	删除队列，并清除队列中的所有消息。此操作会影响后续进程对这个队列的相关操作。该命令只能由具有以下条件的进程执行。进程有效用户 ID 等于 msg_perm.cuid 或 msg_perm.uid ，超级用户进程

下面实例演示了调用
msgctl
函数操作队列，程序中先读取命令行参数，如没有，则打印命令提示信息，在调用
msgctl
函数执行删除操作的前后分别调用了一次
shell
命令
ipcs –q
来查看系统
IPC
的状态。

（
1
）在
vi
编辑器中编辑该程序如下：

程序清单
14-13 del_msg.c
调用
msgctl
删除指定队列

#include <sys/msg.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/ipc.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

int main ( int argc ,char *argv[] )

{

int qid ;

if ( argc != 2 ){ /*
命令行参数出错
*/

puts ( "USAGE: del_msgq.c <queue ID >" );

exit ( 1 );

}

qid = atoi ( argv[1] ); /*
通过命令行参数得到组
ID */

system( "ipcs -q");

if ( ( msgctl( qid, IPC_RMID, NULL ) ) < 0 ){ /*
删除指定的消息队列
*/

perror ("msgctl");

exit (1 );

}

system( "ipcs -q");

printf ( "successfully removed %d queue/n", qid ); /*
删除队列成功
*/

exit( 0 );

}

（
2
）在
shell
中编译该程序如下：

$gcc del_msg.c–o del_msg

（
3
）在
shell
中运行该程序如下：

$./ del_msg

------ Message Queues --------

key msqid owner perms used-bytes messages

0x0000007b 0 root 666 0 0

------ Message Queues --------

key msqid owner perms used-bytes messages

successfully removed 0 queue

7.
读写消息队列

一旦获得了队列标识符，用户就可以开始在该消息队列上执行相关操作了。为了向队列

传递消息，用户可以使用
msgsnd
系统调用.

由于消息队列的特殊性，系统为这个数据类型提供了两个接口（
msgsnd
函数，
msgrcv
函数），分别对应写消息队列及读消息队列。将一个新的消息写入队列，使用函数
msgsnd
，函数原型如下：

#include <sys/msg.h>

int msgsnd ( int msqid, const void *prt, size_t nbytes, int flags);

对于写入队列的每一个消息，都含有三个值，正长整型的类型字段、数据长度字段和实际数据字节。新的消息总是放在队列的尾部，函数中参数
msqid
指定要操作的队列，
ptr
指针指向一个
msgbuf
的结构，定义如下：

struct msgbuf{

long mtype;

char mbuf[];

};

这是一个模板的消息结构，其中成员
mbuf

是一个字符数组，长度是根据具体的消息来决定的，切忌消息不能以
NULL
结尾。成员
mtype
是消息的类型字段。

函数参数
nbytes
指定了消息的长度，参数
flags
指明函数的行为。函数成功返回
0
，失败返回
–1
并设置错误变量
errno
。
errno
可能出现的值有：
EAGAIN
、
EACCES
、
EFAULT
、
EIDRM
、
EINTR
、
EINVAL
和
ENOMEM
。当函数成功返回后会更新相应队列的
msqid_ds
结构。

使用函数
msgrcv
可以从队列中读取消息，函数原型如下：

#include <sys/msg.h>

ssize_t msgrcv ( int msqid, void *ptr, size_t nbytes, long type , int flag);

函数中参数
msqid
为指定要读的队列，参数
ptr
为要接收数据的缓冲区，
nbytes
为要接收数据的长度，当队列中满足条件的消息长度大于
nbytes
的值时，则会参照行为参数
flag
的值决定如何操作：当
flag
中设置了
MSG_NOERROR
位时，则将消息截短到
nbytes
指定的长度后返回。如没有
MSG_NOERROR
位，则函数出错返回，并设置错误变量
errno
。设置
type
参数指定
msgrcv
函数所要读取的消息，
tyre
的取值及相应操作如表
14-10
所示。

表
14-10 type
值详解

type	操 作
等于 0	返回队列最上面的消息（根据先进先出规则）
大于 0	返回消息类型与 type 相等的第 1 条消息
小于 0	返回消息类型小于等于 type 绝对值的最小值的第 1 条消息

参数
flag
定义函数的行为，如设置了
IPC_NOWAIT
位，则当队列中无符合条件的消息时，函数出错返回，
errno
的值为
ENOMSG
。如没有设置
IPC_NOWAIT
位，则进程阻塞直到出现满足条件的消息出现为止，然后函数读取消息返回。

下面实例演示了消息队列在进程间的通信。程序中创建了一个消息的模板结构体，并对声明变量做初始化。使用
msgget
函数创建了一个消息队列，使用
msgsnd
函数向该队列中发送了一条消息。

（
1
）在
vi
编辑器中编辑该程序如下：

程序清单
14-14 snd_msg.c
调用
msgsnd
函数向队列中发送消息

#include <sys/msg.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/ipc.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

struct msg{ /*
声明消息结构体
*/

long msg_types; /*
消息类型成员
*/

char msg_buf[511]; /*
消息
*/

};

int main( void ) {

int qid;

int pid;

int len;

struct msg pmsg; /*
一个消息的结构体变量
*/

pmsg.msg_types = getpid(); /*
消息类型为当前进程的
ID*/

sprintf (pmsg.msg_buf,"hello!this is :%d/n/0", getpid() ); /*
初始化消息
*/

len = strlen ( pmsg.msg_buf ); /*
取得消息长度
*/

if ( (qid=msgget(IPC_PRIVATE, IPC_CREAT | 0666)) < 0 ) { /*
创建一个消

息队列
*/

perror ( "msgget" );

exit (1) ;

}

if ( (msgsnd(qid, &pmsg, len, 0 )) < 0 ){ /*
向消息队列中发送消息
*/

perror ( "msgsn" );

exit ( 1 );

}

printf ("successfully send a message to the queue: %d /n", qid);

exit ( 0 ) ;

}

（
2
）在
shell
中编译该程序如下：

$gcc snd_msg.c –o snd_msg

（
3
）在
shell
中运行该程序如下：

$./ snd_msg

successfully send a message to the queue 0

上述程序中，先定义了一个消息的结构体。该结构体中包含两个成员，
long
类型成员
msg_types
是消息的类型，注意，在消息队列中是以消息类型做索引值来进行检索的。
char
类型数组存放消息。在程序中先声明了一个消息的结构体变量，并做相应初始化，然后使用了
msgget
函数创建一个消息队列，并将该消息发送到此消息队列中。以下是一个使用消息队列发送消息的程序。

下面实例演示了如何使用队列读取消息。在程序的开始部分，判断用户是否输入了目标消息队列
ID
，如果没有，则打印命令的帮助信息；如果用户输入了队列的
ID
，则从队列中取出该消息，并输出到标准输出。

（
1
）在
vi
编辑器中编辑该程序。

程序清单
14-15 rcv_msg.c
使用
msgrcv
函数从指定队列中读出消息

#include <sys/msg.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/ipc.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#define BUFSZ 4096

struct msg{ /*
声明消息结构体
*/

long msg_types; /*
消息类型成员
*/

char msg_buf[511]; /*
消息
*/

};

int main( int argc, char * argv[] ) {

int qid;

int len;

struct msg pmsg;

if ( argc != 2 ){ /**/

perror ( "USAGE: read_msg <queue ID>" );

exit ( 1 );

}

qid = atoi ( argv[1] ); /*
从命令行中获得消息队列的
ID*/

/*
从指定队列读取消息
*/

len = msgrcv ( qid, &pmsg, BUFSZ, 0, 0 );

if ( len > 0 ){

pmsg.msg_buf[len] = '/0'; /*
为消息添加结束符
*/

printf ("reading queue id :%05ld/n", qid ); /*
输出队列
ID*/

/*
该消息类型就是发送消息的进程
ID*/

printf ("message type : %05ld/n", pmsg.msg_types );

printf ("message length : %d bytes/n", len ); /*
消息长度
*/

printf ("mesage text: %s/n", pmsg.msg_buf); /*
消息内容
*/

}

else if ( len == 0 )

printf ("have no message from queue %d/n", qid );

else {

perror ( "msgrcv");

exit (1);

}

system("ipcs -q")

exit ( 0 ) ;

}

（
2
）在
shell
中编译该程序如下：

$gcc rcv_msg.c–o rcv _msg

（
3
）在
shell
中运行该程序如下：

$./ rcv_msg 0

reading queue id :0

message type : 03662

message length : 20 bytes

mesage text: hello!this is :3662

------ Message Queues --------

key msqid owner perms used-bytes messages

0x00000000 0 root 666 0 0

该程序中声明了一个消息的结构体类型变量，并从命令行中得到所要操作的消息队列，然后使用函数
msgrcv
从指定消息队列中读取队列中最上面的一条消息（函数的第
4
个参数等于
0
，说明根据先进先出规则，应从队列的最上面读取一条消息），并将该消息输出到标准输出。在发送消息的程序中，消息类型字段指定的是发送消息进程的
ID
，可以使用该内容来判断信息的来源。

另外，IBM开发中心的一篇文章也很好，http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part3/